[发明专利]一种掺杂Mg的富锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料制备技术领域，具体涉及一种掺杂Mg的富锂正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池正极材料的电量、电压等性能是影响电池能量密度、安全性能以及循环寿命的关键因素。目前，市场上已经商业化的锂离子电池正极材料LiCoO₂、LiFePO₄的容量分别为140mAh/g、160mAh/g，因此开发高容量的锂离子电池正极材料成为了关注的焦点。锂离子电池富锂正极材料具有超高比容量（大于250mAh/g），成本较低（钴元素含量低），环境友好等优点，具有良好的发展前景。但是，首次不可逆容量损失高达40-100 mAh/g，倍率性能差，1C容量在200 mAh/g以下，因此在很大程度上限制了锂离子电池富锂正极材料的发展及应用。

离子掺杂是提高锂离子电池正极材料的倍率特性以及循环性能的有效手段之一。掺杂微量的金属或非金属元素可以很好的提高材料的热力学性能以及结构稳定性。例如，在尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄中微量的Ru元素,大幅度的提高了其在高倍率下的放电比容量；F^-离子掺杂可以取代部分的氧离子，抑制了氧元素的析出，可以提高材料的循环性能。

同时，制备方法是影响锂离子电池富锂正极材料性能的重要因素。富锂正极材料如Li_1.2Ni_0.175Co_0.1Mn_0.525O₂，Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂等，最常用的制备方法是固相反应法，但是使用该法制备的材料不能达到均匀混合的水平，且制备的过程中容易引入杂质。因此，可以采用其他一些软化学方法来提高材料的电化学性能，一般包括溶胶-凝胶法，喷雾干燥法，水热法等。其中，溶胶凝胶法制备正极材料具有化学均匀性好，粒径分布窄，纯度高，颗粒粒径小等优点。但是也存在着一些不足：

(1) 制备过程中常需要消耗大量较昂贵的有机酸或醇，成本较高，不适于大规模生产。(2) 整个制备过程需要较长时间的陈化过程，时间成本过高。(3) 在对前驱体进行煅烧时，传统的煅烧工艺采用一步煅烧法，且煅烧时间长，一般为20h,因此对能源产生浪费。

发明内容

本发明的目的之一是为了解决上述的锂离子电池正极材料LiCoO₂、LiFePO₄等的容量低、倍率性能差等技术问题而提供一种掺杂Mg的富锂正极材料。

本发明的目的之二是为了解决上述的富锂正极材料制备方法中所存在的生产成本高，不适于大规模生产，煅烧时间长，能源浪费等技术问题而提供一种生产成本低、煅烧时间短、适于规模化生产等特点的掺杂Mg的富锂正极材料的制备方法。

本发明的技术原理

以乙酸锂、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锰和硝酸镁为原料，柠檬酸为螯合剂合成了掺杂Mg的富锂正极材料的前躯体并通过分段煅烧得到掺杂Mg的富锂正极材料。

本发明的技术方案

一种掺杂Mg的富锂正极材料，其分子式为Li(Li_0.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54)_0.98Mg_0.02O₂。

上述的一种掺杂Mg的富锂正极材料的制备方法，

即首先，按摩尔比计算，即Li: Co: Ni: Mn: Mg为1.196:0.1274:0.1274:0.5292:0.02的比例，将乙酸锂、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锰和硝酸镁溶解在去离子水中，得到溶液1，实际制备过程中所用的乙酸锂过量5％，以弥补后续煅烧时锂的损失；

按摩尔比计算，即柠檬酸的摩尔量：Ni、Co、Mn和Mg的总摩尔量为1:1的比例，将柠檬酸加入到去离子水中，得到溶液2；

然后，将溶液2控制滴加速率为2ml/min，将溶液2滴加到溶液1中并搅拌混合均匀后，用氨水，优选用质量百分浓度为28％的氨水调节pH为9，然后在80℃条件下持续搅拌直至形成紫色凝胶；

然后，将上述得到的紫色凝胶在200℃下烘干后球磨，即得前躯体固体粉末；

最后，将上述得到的前躯体固体粉末进行分段煅烧，将煅烧后的材料进行研磨，即得掺杂Mg的富锂正极材料；