[发明专利]具有可调粒径分布的电池材料的可升级沉淀合成方法

说明书

通过沉淀合成的方法制备了包含原子比为0≤Ni:Mn≤1/3的镍和锰的金属碳酸盐材料，其中种子颗粒在第一反应器中连续生成、附聚和生长，将特定量的产物悬浮液间歇或连续地转移到搅拌的第二反应器中，并将额外的连续原料进料以固定比例加入到该第二反应器中以生长颗粒。该步骤任选重复一次或多次，然后从最后反应器中间歇或连续地收集最终产物。

本发明涉及一种用于制备具有可调粒径分布(PSD)的材料的可升级沉淀合成方法，且该材料主要由作为合成电池阴极材料的前体的球形颗粒组成，更具体地说，该方法通过沉淀具有可调PSD的包含原子比为0≤Ni:Mn≤1/3的镍和锰的金属碳酸盐材料来进行。

有限的石油储备以及不断增加的减少二氧化碳排放量的努力不仅导致电能生产向可再生能源形式转变，而且导致对汽车工业中可替代发动机的研究增加。此外，消费电子和电信领域对耐用高功率存储介质的需求不断增长，促进了主要关注效率、成本降低和安全性的现有储能系统的改进和新能源储存系统的开发。由于其高重量储能能力，锂离子电池(LiB)是一种很有前景的系统，不仅适用于当今和未来的能量储存，而且还适用于汽车和各种其他应用领域。

第一个商业化的LiB是基于LiCoO₂作为正极，石墨作为负极，提供相对于Li/Li⁺的3.8V的电势。然而，由于钴相对昂贵且有毒，因此一直在寻找可替代的阴极材料，并且正在测试和部分商业化越来越多的其他材料组合。增加LiB的能量密度的一种可能性是提高电池的工作电压。这可以通过使用具有更高电极电势的阴极材料(如LiNi_0.5Mn_1.5O₄尖晶石，其提供相对于Li/Li⁺的4.7V的电压)来实现。

尖晶石是指晶体晶格，其中氧化物阴离子排列成立方密堆积晶格，并且阳离子占据该晶格中的一些或全部的八面体和四面体位置。尖晶石晶格的对称性通过用于有序相的P4₃32空间群和用于无序相的Fd-3m来描述。尖晶石材料可以是单一无序或有序相，或两者的混合物(Adv.Mater.24(2012)、pp 2109-2116)。

在LiB中选择材料的另一个重要因素是其组分在地壳中丰富，确保了长期可用性和成本降低，因为基于铁和锰的材料是非常令人感兴趣的。特别是锰氧化物构成了一组有前途的阴极材料，因为锰是一种价格低廉且无毒的元素。此外，锰氧化物具有相当高的电子传导性以及合适的电极电势。在锂锰氧化物中，层状LiMnO₂和尖晶石型LiMn₂O₄(LMO)是最突出的三元相。与层状相相比，后者的优点是相对于Li/Li⁺的约4.0V的更高电势，而LiMnO₂平均仅提供3.0V。LiMn₂O₄晶格提供三维的锂扩散，从而更快地吸收和释放该离子。在掺杂的LMO尖晶石中，Li⁺的扩散在所有三个维度上也同样是快的。