[发明专利]一种锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料的制备方法，属于锂离子电池正极材料领域。本发明通过将硫酸锰溶液和过硫酸铵溶液混合均匀，转移至反应釜中，水热反应后，离心、洗涤和干燥得到纳米棒状β‑MnO₂前驱体；随后将前驱体加入溶有锂盐和二价阳离子盐(Mg²⁺或Ca²⁺)的无水乙醇中，超声、搅拌、干燥和研磨后放入马弗炉煅烧，冷却后加入到溶有脂肪酸的无水乙醇中，搅拌、离心、洗涤和干燥后并置于管式炉中煅烧，冷却后得到锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料。所述富锂锰基正极材料不仅可以改善材料的结构稳定性，抑制电压平台的衰减，还能提高电子电导率，极大地提高其循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料及其制备方法，属于锂离子电池正极材料领域。

背景技术

传统的化石燃料煤、石油和天然气长期以来一直是人们日常生活中所需能源的主要来源，然而随着人们日常生活能源需求的增加，化石燃料的加剧使用似乎是不可避免的。化石燃料已经面临着来源严重不足的问题，如今人们面临着最大的挑战之一是如何稳定供应能源，以满足我们不断增长的能源需求。

此外，随着工业和科技对能源革命的推动，人们对储能技术的要求也越来越高。作为一种新型的储能器件，锂离子电池越来越广泛地出现在电子产品中，成为了人们首选的储能装备。与传统的化学电池技术相比，它具有能量密度高，自放电率低，灵活轻便的设计以及更长的使用寿命等特点。对于锂离子电池的研究是未来储能装置的主要方向，随着人们对锂离子电池的能量密度越来越高的要求，如何提高其能量密度，增加其循环寿命，降低材料本身的成本，并且保证其能够安全的使用和产业化是当前的研究重点。

富锂锰基正极材料是锂离子电池中一种新型的正极材料，具有高达900Wh kg^-1以上的能量密度，是电动车和插电式混合动力车等大规模储能应用的理想材料，近些年来引起了锂离子电池研究者们越来越多的关注。然而，其初始库仑效率较低、容量和电压衰减较快和倍率性能较差等原因，阻碍了其进一步的应用。

并且，目前对富锂锰基正极材料的改性研究大多在表面形貌和制备工艺的改进等方面，这些改进方法不仅耗时耗力，而且成本较高，难大规模推广。

因此，如何提供一种工艺简单、性能高效、锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料的制备方法是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述提及的富锂锰基正极材料循环性能和倍率性能较差等缺点，本发明提供了一种锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料及其制备方法，因本发明锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料层间掺杂明显，而有效地降低了离子和电子的扩散阻力，显著地改善了倍率性能和循环性能。

一种锂层掺杂二价阳离子的富锂锰基正极材料的制备方法，所述富锂锰基正极材料采用水热法和热还原法联合制备，并通过控制二价阳离子(Mg²⁺或Ca²⁺)的浓度变化来改善电化学性能，具体步骤如下：

(1)前驱体的制备：将硫酸锰溶液和过硫酸铵溶液混合均匀，随后将混合溶液转移至反应釜中水热反应后，经离心、洗涤和干燥得到前驱体；

(2)中间产物的制备：将前驱体加入溶有锂盐和二价阳离子盐的无水乙醇中，得到固液流变体，随后经超声、搅拌、干燥和研磨后放入马弗炉中煅烧，待自然冷却至室温得到中间产物；

(3)富锂锰基正极材料的制备：将中间产物加入溶有脂肪酸的无水乙醇中，经搅拌、离心、洗涤和干燥后放入管式炉中煅烧，待自然冷却至室温，即得到富锂锰基正极材料。

优选的，所述步骤(1)的混合溶液中，硫酸锰溶液的浓度为0.025～0.35mol/L，过硫酸铵溶液的浓度为0.10～0.85mol/L。

进一步的，所述水热反应的温度为120℃～180℃，水热反应的时间为8～15h。