[发明专利]一种浓度渐变的球形镍锰酸锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种浓度渐变的球形镍锰酸锂正极材料及其制备方法，属于锂离子电池正极材料与电化学领域。

背景技术

锂离子电池作为二次能源，具有比能量高、循环寿命长和放电性能稳定等优点而成为各种便携式电子产品的理想电源，也是未来用于电动汽车的最具潜力电源。近年来，随着新能源战略下电动汽车的普及、铅酸电池的环保问题、石油价格飞涨等诸多因素影响，锂离子电池及相关产品新兴领域的发展十分迅猛。然而，当前的锂离子电池体系中仍然存在许多技术问题亟待突破与解决，如能量密度偏低、高成本、安全性能欠佳等。

锂离子电池主要由正负极材料、电解液、隔膜等组成，其中正极材料占据着最重要的地位，是核心关键材料，直接影响电池的容量、寿命、成本、安全性等重要性能。因此，开发高性能正极材料对锂离子电池及相关行业的快速发展具有重要意义。

目前，全球市场化的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂(LiCoO₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、三元材料(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂)、富锂正极材料(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Mn，Ni，Co))、锰酸锂(LiMn₂O₄)等。其中钴酸锂因钴资源稀少成本较高，且环境污染等缺点，其发展空间有限，已逐步被取代；磷酸铁锂放电比容量不高，振实密度偏低，且产品存在较严重的一致性问题，阻碍其快速发展；三元材料压实密度偏低，其倍率性能与安全性能有待提高；富锂正极材料首次不可逆容量较大，且倍率性能欠佳。与其他几种正极材料相比，锰酸锂LiMn₂O₄因其具有尖晶石三维隧道适于锂离子脱嵌、较高的工作电压、过充性能好、成本低廉、环境友好以及安全性能良好等特点，被认为是新一代的锂离子电池首选正极材料。因此，通过有效的改性技术，合成出性能优异的安全电极材料对锂离子电池及相关行业的发展具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种浓度渐变的球形镍锰酸锂正极材料的制备方法。

本发明的技术方案是，一种浓度渐变的球形镍锰酸锂正极材料，其通式为Li[Mn_x(Mn_1-yNi_y)_1-x]₂O₄，0＜x＜1，0＜y≤0.5；该材料的外观形貌为球形结构，单个球形颗粒由锰酸锂LiMn₂O₄内核和Mn、Ni浓度渐变的Li[Mn_1-yNi_y]₂O₄外壳组成，外壳中Ni的浓度由核到表面逐渐增加，且球形颗粒表面Ni和Mn的摩尔比为1∶3。

一种浓度渐变的球形镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将镍盐、锰盐配制成总金属离子浓度为0.1～3.5mol/L的混合盐溶液，置于容器1中，其中Ni∶Mn的摩尔比为1∶n，0≤n≤3；将锰盐配制成金属离子浓度为0.1～3.5mol/L的盐溶液；

(2)分别配制浓度为0.1～10mol/L的碱溶液和浓度为0.1～10mol/L的氨水溶液；

(3)采用控制结晶共沉淀法，将盐溶液通过恒流泵逐渐加入到反应釜中，与此同时，碱溶液作为配位剂、氨水作为络合剂也同时并流加入到反应釜内，控制反应釜内的搅拌速度为50～1500rpm，反应温度为0～80℃，pH值为6.0～12.0，使之结晶沉淀生成球形MnCO₃内核；

(4)将混合盐溶液慢慢滴入的盐溶液中，搅拌均匀成混合溶液，同时将混合溶液通过恒流泵加入反应釜中，碱溶液作为配位剂、氨水作为络合剂也同时并流加入到反应釜内，控制反应釜内的搅拌速度为50～1500rpm，反应温度为0～80℃，pH值为6.0～12.0，控制加料速度与反应时间，使之在MnCO3内核表面生成一层Ni、Mn浓度渐变的外壳，得到[Mn_x(Mn_1-yNi_y)_1-x]CO₃前躯体；