[发明专利]一种镍铝共掺杂四氧化三锰及其制备方法

说明书

本发明提供了一种镍铝共掺杂四氧化三锰，该镍铝共掺杂四氧化三锰的分子式为(MnxNiyAlz)₃O₄，其中x：y：z＝(0.7～0.8)：(0.2～0.3)：(0.005～0.1)，粒度D₅₀为5～15μm，比表面积为30～50m²/g，振实密度≥0.4g/cm³。本发明还提供了一种镍铝共掺杂四氧化三锰的制备方法，通过调整合适的工艺参数，使得金属锰与水的多相反应和镍盐与铝盐的共沉淀反应在水溶液里能够同时进行，最后在产物中，锰元素、镍元素和铝元素实现原子级别的均匀混合，在微观尺度上完全分布均匀。由本发明的方法制备得到的镍铝共掺杂四氧化三锰，具有比表面积大、晶粒小、活性高、化学计量比准确的特点。

技术领域

本发明属于锂离子电池锰系基础材料技术领域，尤其涉及一种镍铝共掺杂四氧化三锰及其制备方法。

背景技术

随着锂离子电池应用领域的扩大，人们对锂离子电池的性能要求越来越高，高电压、高容量的正负极材料的研制开发是目前研究的一个热点。金属离子掺杂的尖晶石型锰酸锂LiM_xMn_2－xO₄(M＝Ni、Co、Fe、Cu等)由于具有4.5V以上的电压平台和更高的能量密度，是一类受到人们广泛关注的高电位正极材料。在这些材料中，镍锰酸锂LiNi_0.5Mn_1.5O₄有4.7V(相对于Li/Li⁺)电压平台，其理论比容量为147mAh/g，实际比容量为130mAh/g以上，是一种优异的高电位正极材料，在相同的电流下，能提供更高的功率密度，因而被电动汽车等大型储能领域所青睐，已发展成为最具有应用潜力的新一代锂离子电池正极材料之一。同时尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料具有三维离子扩散通道、优异的结构稳定性、丰富的资源、廉价的成本以及环境友好等优点，从而备受各国科研工作者的关注。

目前镍锰酸锂的制备方法主要有高温固相法、溶胶-凝胶法、熔盐法、燃烧法、喷雾干燥法等。但是考虑到工艺复杂程度、生产成本高低和大规模生产等因素，高温固相法依然是LiNi_0.5Mn_1.5O₄大规模生产的首选方法。这种方法一般是反应原料经过处理后直接进行高温烧结得到产品。这种方法的主要优点是过程简单，易于控制；但缺点是合成温度高、时间长、能耗大、生产效率低、均匀性差、容易产生杂质相。

现有高温固相法的研究大多采用电解MnO₂来合成LiNi_0.5Mn_1.5O₄，发明人以Li₂CO₃、NiO和电解MnO₂为原料，球磨混合均匀后在900℃恒温锻烧30h，合成出LiNi_0.5Mn_1.5O₄，其1C首次放电比容量为120mAh/g，循环30次后比容量为116mAh/g，容量和循环寿命都有待提高。由于反应物以固态形式直接反应，不仅原子或离子需穿过各物相的界面，并通过各物相区，而且由电解MnO₂的层状结构锂化形成立方尖晶石结构还涉及到大量的结构重排、化学键断裂与重组，通常需要在高温下长时间反应才能得到尖晶石结构的LiNi_0.5Mn_1.5O₄。因此，如何强化固相反应、降低反应温度、缩短反应时间就成为LiNi_0.5Mn_1.5O₄大规模生产要解决的问题之一。