[发明专利]一种核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，尤其涉及一种核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有无记忆效应、工作电压高、自放电率小等显著优点而成为便携式电子设备的理想电源，其在电动汽车和储能电站等领域也已展现出巨大的应用前景。同时，当前锂离子电池的迅速发展对电池材料在能量密度及安全性等方面提出了更高要求。

对于现有的正极材料，LiCoO₂由于深度充电时对电解质的强氧化作用及过度脱锂对自身结构的破坏，其实际可用容量只有理论容量的一半左右。LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂和LiNi_1/2Mn_1/2O₂等虽然降低了材料成本和毒性，明显提高了材料的安全性，但这些层状结构材料的实际比容量没有大的突破；三维隧道结构尖晶石正极材料LiMn₂O₄、LiNi_0.5Mn_1.5O₄和聚阴离子正极材料虽具有较高的安全性能，但这些材料的理论比容量也远不能满足高比能锂离子电池对正极材料的性能要求。因此，正极材料成为锂离子电池性能进一步提高的瓶颈。与上述几种正极材料相比，层状富锂锰基材料的理论容量可超过250mAh/g，将成为下一代锂离子电池的重要候选正极材料之一。但是富锂锰基正极材料电导率偏低，大电流放电以及高倍率性能差，循环过程中容量衰减快，这些缺点已成为限制富锂锰基正极材料应用的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合正极材料及其制备方法，解决了大容量与高安全性不可兼得的难题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合正极材料，以层状富锂锰基为内核材料，尖晶石镍锰酸锂为壳层材料，采用共沉淀的方法获得核壳前驱体，利用核壳前驱体与锂源进行均匀混合、煅烧，得到核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合正极材料。具体制备步骤如下：

一、分别称取镍源化合物、钴源化合物、锰源化合物，并溶于去离子水中混合均匀，采用共沉淀的方法将沉淀剂氢氧化钠或碳酸钠和一定量络合剂氨水逐滴加入其中，控制金属盐与沉淀剂摩尔比为1∶1，同时金属盐与氨水摩尔比为1∶0.5～0.8，反应的pH值在8～12之间，50～60℃反应3～20h，并以速度为500～1000转/分钟不断搅拌，得到富锂锰基材料前驱体母液A；

二、按摩尔比0.25∶0.75称取镍源化合物、锰源化合物，并溶于去离子水中混合均匀，将其逐滴加入步骤一得到的富锂锰基材料前驱体母液A中，采用共沉淀的方法将沉淀剂氢氧化钠或碳酸钠和一定量络合剂氨水逐滴加入其中，控制金属盐与沉淀剂摩尔比为1∶1，同时金属盐与氨水摩尔比为1∶0.5～0.8，反应的pH值在8～12之间，50～60℃反应3～20h，并以速度为500～1000转/分钟不断搅拌，得到核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合前驱体B；

三、将锂源与步骤二得到前驱体B均匀混合，再将其放入马弗炉空气气氛中，以5～10℃/min升温速率从室温升至300～500℃预烧3～8h，再以相同升温速率升温至600～900℃煅烧6～15h，得到核壳结构的尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基复合正极材料。

本发明中，所述内核层状富锂锰基材料前驱体化学式为(Ni_xCo_yMn_z)(OH)₂或(Ni_xCo_yMn_z)CO₃，其中x+y+z＝1，x＜z，y＜z，0≤x＜z，0≤y＜z，z＜1。

本发明中，所述壳层尖晶石镍锰酸锂材料前驱体化学式为(Ni_0.25Mn_0.75)(OH)₂或(Ni_0.25Mn_0.75)CO₃。