[发明专利]一种离子共掺杂制备尖晶石型锰酸锂正极材料的方法

说明书

本发明公开了一种离子共掺杂制备尖晶石型锰酸锂正极材料的方法，采用纳米二氧化锰和电池级碳酸锂作为主原料，再加入纳米氧化钕、纳米五氧化二钒或纳米二氧化钛中的一种或多种作为添加剂，将主原料与添加剂在斜式混料机中混合均匀，再将混合均匀的物料于750～850℃预烧结15～20小时，烧结后加入纳米氢氧化铝或纳米氢氧化镁中的一种或多种进行包覆处理，然后于600～700℃烧结10～15小时，最后均化过筛得到尖晶石型锰酸锂正极材料。本发明制得的锰酸锂材料颗粒均匀，粒度呈正态分布，加工性能优越，具有较高的克比容量，1C克容量可达110mAh/g以上，同时兼顾优越的循环性能，1C循环可达500次以上。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料的制备技术领域，具体涉及一种离子共掺杂制备尖晶石型锰酸锂正极材料的方法。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。近年来，锂离子电池产业受到世界各国的高度重视以及资金上的大力支持，锂离子电池正逐步取代铅酸电池等传统电池，已大量应用在新能源汽车、消费电子类产品(手机、笔记本电脑、智能穿戴等产品)及储能领域等。

中国是锂电池重要的生产国之一，2014年，中国锂离子电池产量达52.87亿只，占全球总产量比重达到71.2％，已连续十年位居全球首位。2017年中国锂电池产量突破100亿只，增速达27.81％，2018年预计全国锂电池产量达到121亿只，增速22.86％。2018年消费型锂离子电池市场需求将维持3％左右的低速增长。与消费类电池不断下降相对于的是动力电池的需求迅猛发展，市场占比从2012年的7％左右到2016年的45％，长期来看，新能源汽车是我国未来几年的重要产业，存在巨大的市场空间，预计2018年动力电池市场占比有望过60％，成为锂离子电池未来发展的主要支柱。

锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。其中正极材料、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40％左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。

目前商业化应用的正极材料主要有钴酸锂，三元材料，锰酸锂和磷酸铁锂。钴酸锂压实密度大，充放电电压平稳，适合大电流充放电，电导率高，生产工艺简单、容易制备等但价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。三元材料能量密度高，组份可调整以适应不用需求，但成本较高，尤其是安全性差，会阻碍三元材料的发展。磷酸铁锂具有高稳定性、更安全可靠、更环保。主要缺点是低温性能极差(温度低于-10℃时无法正常工作)能量密度较低，电导率低。锰酸锂晶体结构稳定，原料来源广泛，较高的工作电压，充放电电压平缓，循环寿命长，安全性能高，无毒且环境友好，同时产品一致性非常好，是非常具有前景的锂离子电池正极材料。

由于锰资源比较丰富，工艺制备简单，性能相对稳定，是比较具有实用化的材料之一。尖晶石型LiMn₂O₄属于立方晶系，Fd3m空间群。Li⁺位于1/8的四面体的8a位，锰离子位于八面体间隙位置，氧离子位于32e位置，呈面心立方密堆积，构成主体骨架。因此Li⁺是沿着间隙8a-16c-8a在[Mn₂O₄]的三维隧道中脱嵌，具有4V的对锂电位，理论容量为148mAh/g，实际容量只能达到110～120mAh/g，虽然取得了较好的使用效果，但是其比容量有待进一步提高。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的离子共掺杂制备尖晶石型锰酸锂正极材料的方法。