[发明专利]一种镁掺杂锂离子电池富锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁掺杂锂离子电池富锂正极材料的制备方法，尤其涉及镁掺杂富锂正极材料的制备及其作为锂离子电池正极材料的应用，属于无机材料技术领域。

背景技术

环境污染及不可再生化石资源的日益减少使得新能源开发成为包括我国在内的很多国家的重要战略。经过近几年的快速发展，锂离子电池已经成为新一代高效便捷式能源，广泛应用于笔记本电脑、无线电通讯、数码相机及空间技术等方面。此外，随着电动汽车、混合动力汽车的快速发展，锂离子电池作为动力电池在电动汽车领域显示出了广阔的应用前景和巨大的经济效益。但是，现有的锂离子电池还无法满足电动汽车高能量密度、低成本等方面的需求，因此开发比能量更高、寿命更长、价格更低廉的动力锂离子电池是电动汽车产业发展的关键。目前常用锂离子电池正极材料的可逆容量大约为150mAh/g、石墨负极材料的理论容量为372mAh/g，由此可见，当前锂离子电池发展的瓶颈在于正极材料，因此，高比容量正极材料的研制是至关重要的。以xLi₂MnO₃·(1-x)LiNi_0.5Mn_0.5O₂(0＜x＜1)为代表的富锂层状化合物是一种高电压、高容量的锂离子电池正极材料，它是Li₂MnO₃与LiNi_0.5Mn_0.5O₂形成的固溶体，因其具有理论容量(约300mAh/g)、不含钴元素、制备工艺简单且对环境无污染等优点而受到了很大关注，也被认为是下一代锂离子电池最具潜力的正极材料之一。但是富锂层状正极材料存在首次充放电效率低及大倍率下循环稳定性差等问题，这些问题限制了其实际应用。目前改进的方法主要有包覆一些氧化物诸如TiO₂等或者掺杂一些诸如Ti、Cr等之类的过渡金属元素等。

发明内容

本发明的目的是提出一种镁掺杂富锂层状正极材料的制备方法，通过对富锂正极材料进行镁元素掺杂，显著改善了富锂正极材料的电化学性能(循环容量、倍率性能等)，而且该制备方法具有工艺简单、成本低廉等特点，易于规模化生产。

本发明提出的镁掺杂锂离子电池富锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳酸盐前驱体的制备：按照Mn2+:Ni2+:Mg2+＝(0.46+0.54x):(0.46-0.46x):(0.08-0.08x)的摩尔比例，将NiSO4、MnSO4以及MgCl2溶于50ml水中(0＜x＜1)，使其中的金属离子摩尔浓度为2mol/L，得到金属离子混合溶液；

(2)将1mL的浓氨水加入到50mL浓度为2mol/L的NH₄HCO₃溶液中，磁力搅拌下将加入浓氨水后的NH₄HCO₃溶液加入到步骤(1)得到的金属离子混合溶液中，产生沉淀，搅拌2～4小时后，离心分离，得到碳酸盐固溶体，用去离子水清洗碳酸盐固溶体两次，再用无水乙醇清洗碳酸盐固溶体两次，置于80度烘箱中干燥12～24小时，得到碳酸盐前驱体；

(3)xLi₂MnO₃·(1-x)LiNi_0.46Mn_0.46Mg_0.08O₂(0＜x＜1)的制备：按照Li:(Mn+Ni+Mg)＝(1+x):1的摩尔比例将上述制备的碳酸盐前驱体与3mol％～5mol％过量的LiOH·H₂O研磨混匀，得到碳酸盐与氢氧化锂的混合物，将得到的碳酸盐与氢氧化锂的混合物以3℃～5℃/分钟的升温速率，升温至700～1000℃，煅烧12～24小时，自然冷却至室温，得到镁掺杂锂离子电池富锂正极材料。

本发明提出的一种镁掺杂富锂正极材料的制备方法，其优点是：本发明方法通过简单的共沉淀和高温固相烧结反应制备出了纯相镁掺杂富锂材料。本发明方法合成工艺简单，生产效率高，适宜规模化生产。此外，本发明方法反应物所需要的原料易得、无毒、成本低廉，生产过程无需特殊防护，反应条件容易控制，所得到的产物具有产量大、结果重复性好等优点。本发明方法制备的镁掺杂富锂正极材料相比于没有掺杂的材料，在电池比容量和倍率等电池性能方面都有了很大提高和改进。

附图说明

图1为Mg掺杂富锂材料的X射线衍射图(XRD)。

图2为Mg掺杂的富锂材料与未掺杂的富锂材料的电池放电比容量循环对比图。