[发明专利]一种纳米片状富锂锰基正极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种纳米片状富锂锰基正极材料的制备方法,包括如下步骤:将物质的量浓度为1.5～2.5Mol/L的过渡金属盐溶液与物质的量浓度为3～5Mol/L强碱溶液同时加入反应器，在50～70℃的条件下进行共沉淀反应，反应结束后，真空抽滤、洗涤后得到过渡金属氢氧根前驱体；称量适量的表面活性剂和碱性物质加入去离子水和乙醇的混合溶液中，然后加入所述氢氧根前驱体，混合均匀后置于反应釜中150～200℃水热处理12～24h，过滤、洗涤、干燥，得到片状过渡金属氢氧根前驱体；将所述片状过渡金属氢氧根前驱体与锂源充分混合均匀，置于马弗炉中在450℃下煅烧4～6h，然后升温到750～900℃下煅烧12～18h，冷却到室温，得到片状富锂锰基正极材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，具体而言，涉及一种纳米片状富锂锰基正极材料的制备方法。

背景技术

目前，随着科技的进步，太阳能、风能、水能、核能、潮汐能等绿色清洁能源被开发利用，成为可替代化石能源的最佳选择。与此同时为缓解能源危机，催生出新的能源利用方式，如新能源汽车（纯电动和混合动力汽车），风力，水力和太阳能并网发电等。然而，新能源发电的瞬时性和波动性影响电网的安全运行，新能源汽车在续航里程上难以比肩传统能源汽车，因此开发高性能的能源储存和转化装置即化学电源是使用和发展新能源的基础。广泛应用于便携装置中的锂离子电池，作为一种绿色高性能的二次电池，现已推动着新能源汽车和大规模储能等领域的产业变革，引人关注。其中，正极材料严重制约着锂离子二次电池功率密度、能量密度的进一步提高，所以开发新一代高性能锂离子正极材料尤为重要。富锂锰基正极材料从1997年Numata等率先报道之后，就得到了广泛的研究，以其高达250 mA•h/g的可逆比容量，使其最具潜力的锂电正极材料。

然而，该体系材料仍存在一些本质的问题使其不能得以大规模商业化应用:首先，该体系材料具有较小的离子扩散系数（10^-15～10^-12cm²/s）和电子电导率（10^-7～10^-8S/cm），远低于传统层状正极材料，主要归因于体系中存在大量的Li₂MnO₃，不利于电子的传导并且形成大量超晶格结构诱导推叠层错和锂镍混杂，限制了锂离子的迁移，导致该材料在高倍率下容量明显下降且循环性能逐渐下降。其次，该材料高容量的表现得益于4.5V处氧和锂的共同脱出，然而脱出的氧在随后的放电过程中不能被还原，从而导致首圈较大的不可逆容量损失，以及过渡金属离子向内层的迁移、重排，引起循环过程中相转变，导致电压和容量的衰减。为了进一步提高其电化学性能，使其能满足动力锂离子电池材料的使用标准，其中首先应该提升就是它的倍率性能。因此各种纳米结构的富锂锰基正极材料得到了深入的研究，研究发现：具有稳定晶体结构的多孔、中空、片状富锂材料表现出良好的锂离子迁移速率，为锂离子提供更多的扩散通道和更短的迁移距离。

申请公布号为CN 104979549A（申请号为201510329840.7）的中国发明专利申请公开了一种片状富锂锰基正极材料的制备方法，所述的富锂三元层状结构氧化物为Li[Li_0.2Mn_0.56Ni_0.16Co_0.08]O₂，具体合成步骤为:1)将锂盐、镍盐、钴盐和锰盐溶于乙二醇，混合溶解均匀；2）将1)中溶液烘干并研磨，得到金属盐固体粉末；3）将金属固体粉末在400℃～600℃下第一次煅烧3～6h，得到片状锂过渡金属氧化物前驱体粉末；4）将片状锂过渡金属氧化物前躯体粉末与过量氯化钾充分混合均匀，在780℃～950℃下第二次烧结10～30h，之后冷却，清洗烘干，得到片状材料。

上述技术方案中，一方面该方法中大量使用氯化钾试剂，其与富锂材料的质量比高达5:1，造成资源的严重浪费；另一方面利用该方法在1000mA/g的电流密度下，合成的材料放电容量仅为110.7～131.2mAh/g，电化学性能有待于进一步提升。

发明内容