[发明专利]一种高倍率富锂锰基正极材料单晶及其制备方法

说明书

一种高倍率富锂锰基正极材料单晶及其制备方法，本发明是要解决现有富锂锰基正极材料的倍率性能差、循环性能差、压实密度小和能量密度低的技术问题。本发明的富锂锰基正极材料的通式为xLi₂MnO₃·(1‑x)LiMO₂(0<x<1)。制法包括三个主要步骤：一、将含锰元素可溶性盐溶液，沉淀剂溶液和缓冲溶液同时加入到反应釜内，调控溶液电位‑1V～‑0.001V，得锰基共沉淀物；二、用氧化性物质将锰基共沉淀产物氧化为复合锰基金属前驱体；三、将复合金属前驱体、锂源化合物和助剂A混合均匀后煅烧得富锂锰基正极材料单晶。此方法合成的富锂锰基正极材料在5.0C倍率下放电比容量可达180mAh g^‑1以上，可用于锂离子电池中。

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池用前驱体及正极材料技术，尤其涉及一种高倍率富锂锰基正极材料单晶的制备方法。

背景技术

随着人们对新能源电动汽车续航里程要求的提高，寻找高能量密度和高功率密度的锂离子电池成为研究者关注的焦点，而正极材料是制约锂离子电池比容量、能量密度和功率密度的关键部分之一。在现在研究的锂离子电池正极材料中，富锂锰基正极材料由于放电比容量高(>250mAh/g)，价格低和原料低毒性，被认为是动力锂离子电池理想的正极材料之一。然而这种材料在实际应用过程中还存在一定的缺陷，其中首次库伦效率低、倍率性能差和循环性能差的问题严重的阻碍了其实际的应用。

富锂锰基正极材料的首次库仑效率较低，其值通常小于80％。富锂锰基正极材料另一个的问题是倍率性能较差，较差的倍率性能严重影响了其应用过程中功率密度。引起差倍率性能的原因包括Li₂MnO₃复合物中Mn⁴⁺离子的绝缘性，粒子和电解液界面之间的较大的传输电阻，循环期间形成低电导率正极电解液界面膜(CEI)，差的脱锂动力学及其合成的富锂锰基正极材料的脱锂面较小。富锂锰基材料在小倍率0.1C或低于0.1C时放电比容量可超过250mAh/g，但该材料在0.5C条件下放电比容量一般低于200mAh/g，1C放电比容量为150mAh/g或者更低，严重限制了其在电池中的使用。

发明内容

本发明是要解决现有的富锂锰基正极材料首次库伦效率低、倍率性能差、循环性能差、压实密度小和能量密度低的技术问题，而提供一种高倍率富锂锰基正极材料单晶的制备方法。

本发明的富锂锰基正极材料是由0.1um～10um的正方体、长方体、六面体、四面体、八面体一种或其中几种多面体单晶组成。

上述的高倍率富锂锰基正极材料单晶的制备方法，按以下步骤进行：

一、按富锂锰基正极材料通式xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(0<x<1)中元素的化学计量比称取锰元素的可溶性盐和过渡金属元素(M)的可溶性盐，将锰元素的可溶性盐和M元素分别配制可溶性溶液；其中M为Mn、Ni、Co、Cr、B、Fe、Ti、V、Zn、Mg、Al、Mo、Se、Sb、Te、Ru、W中的任意一种或其中几种组合；然后将锰溶液、M溶液、沉淀剂溶液和络合剂溶液用恒流泵同时加入到反应釜内，同时加入助剂A调控反应溶液的电位值至-1V～-0.001V，并且持续向反应釜内通入氮气保护，在温度为20℃～100℃、pH值为7.0～14.0的条件下搅拌反应1～50小时，然后过滤，洗涤，干燥，得到锰基共沉淀物；

二、将获得的锰基共沉淀物加入一定量助剂B，球磨、洗涤、干燥得到锰基复合金属前驱体；