[发明专利]一种纳米级镍锰酸锂正极材料制备方法

说明书

技术领域

本专利涉及锂离子电池，特指一种动力电池用高性能纳米级镍锰酸锂正极材料LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)的制备方法，属于二次电池材料制备领域。

背景技术

锂离子电池是伴随发展起来的一种新型化学能源，由于其具有较高的能量密度、环境友好、无记忆效应等优点而被誉为“绿色能源”；美国USABC（US Advanced Battery Consorium）将锂离子电池作为电动汽车的重要电源进行开发，法国SAFT公司致力于LiNiO2和LiNixMyO₂正极材料的研发，以提高电池能量和降低成本，并预言锂离子电池是21世纪新卫星计划中的首选电源系统；正极材料是提高锂离子电池性能的关键，在锂离子二次电池中，钴酸锂不适用，因为它存在大电池的热失控风险和成本高等问题，层状锰酸锂具有低成本、环保、充电态安全等优点，但其能量密度低、循环性能差、碳作负极时的Mn溶解问题突出；磷酸铁锂可降低成本、具有高充电稳定性和安全性等优势，但能量密度低、电子导电性差、制备工艺复杂，有待进一步改进；LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)是一种具有α-NaFeO₂结构的层状材料，在LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)中，Ni和Mn的平均氧化价态分别是+2和+4，在充放电过程中Mn是非活性的，保持+4价不变，由于材料中Mn一直以+4价存在，因此抑制了John-Teller效应的发生，从而维持了结构的稳定性，所以这种材料在较大电压范围充放电时仍然具有很高的可逆容量、良好的循环性。

目前，LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)的合成方法很多，固相法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法、共沉淀法等；固相法由于工艺简单，成本低廉，广泛应用于锂离子电池正极材料的制备，然而由于LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)本身的特性，传统固相法制备高电化学活性的LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)比较困难；溶胶凝胶法、冷冻干燥法合成材料的性能要比高温固相法合成的好，但存在产品一致性差、成本高等缺点，不适合产业化生产；氢氧化物共沉淀法是目前最常用的合成LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)的方法，优点是Ni和Mn的分布非常均匀，因此制得的LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)具有较好的晶形和电化学性能，但该方法存在合成温度很高（超过900^oC）、煅烧时间过长（15～25h）、材料成本高以及颗粒尺寸较大的缺点；同时，研究表明，颗粒粒径对电极材料的电化学容量有较大的影响，颗粒粒径越小，Li⁺的固相扩散路程就越短，活性物质与电解液的接触面积就越高，从而材料的导电性和电化学容量就越高。

发明内容

本发明为一种动力电池用高性能纳米级镍锰酸锂正极材料LiNi_xMn_2-xO₂(0<x<1)的制备方法，其制备工艺如下：

（1）将镍源化合物和锰源化合物按化学计量比混合溶入去离子水中，其中元素 Ni：Mn的摩尔比是x：2-x，（0<x<1）。

（2）将步骤（1）中混合溶液与复合模板剂混合，混合溶液中摩尔比组成Ni：Mn：复合模板剂= x：2-x：0.1～4（0<x<1），所述复合模板剂为两种或两种以上能够发生共聚反应的表面活性剂物质，更有效的控制粒径的大小。

（3）向步骤（2）中混合溶液中滴加沉淀剂和络合剂，恒温搅拌。

（4）将步骤（3）中混合溶液转入高温密闭的水热釜中反应，反应后悬浊液再通过离心分离、洗涤、烘干后得到镍锰酸锂前驱体。

（5）将得到的前驱体与锂源化合物按计量比混合放入高温管式炉中，在非还原气氛中煅烧，随炉冷却到室温，即得到纳米级镍锰酸锂正极材料。