[发明专利]一种尖晶石相外延包覆的硫化富锂锰材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种尖晶石相外延包覆的硫化富锂锰材料及其制备方法和应用，本发明首先通过共沉淀法制备得到富锂锰基Li_1.20Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂材料，然后将其与硫脲混合后进行焙烧处理，最终在富锂锰材料外形成具有稳定结构的尖晶石外延包覆层。当该材料作为正极材料应用在电池中时，该包覆层可以避免正极材料直接与电解液接触，同时还可以提供更多的锂离子传输路径。此外，硫掺杂扩大了材料的晶面间距，减小了锂离子扩散过程中的能垒，有利于材料容量及倍率性能的提高。以该材料制备的电池表现出优异的循环稳定性以及高的比容量。本发明中的材料制备方法简单，反应条件温和，便于操作，也利于大规模工业生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，具体的涉及一种尖晶石相外延包覆的硫化富锂锰材料及其制备方法和其在高比能锂离子电池中的应用。

背景技术

电动汽车的续航里程与动力电池的能量密度密切相关，其主要由电池的正极材料决定。目前使用的商用锂离子电池正极材料如层状LiCoO₂、尖晶石LiMn₂O₄和橄榄石LiFePO₄等由于过度依赖过渡金属(阳离子)氧化还原，比容量大多在200mAh g^-l以下，工作电压只有3.7V左右，因而能量密度有限。富锂锰基正极材料具有可逆的阳离子和阴离子(O^2-/O₂^2-)氧化还原，它的放电比容量可达250mAh g^-l，甚至300mAh g^-l以上，富锂锰基正极材料同时具有较高的工作电压(高达4.8V)。因此，富锂锰基材料是发展高能量密度锂离子电池的最佳正极材料。

Li_1.20Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂是最常见的一种富锂锰基材料。文献调研发现，Li_1.20Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂材料作为锂离子电池正极材料虽然具有较高的比容量，但是材料本身的动力学性能较差，在初始循环过程中容量损失较大，循环过程中会释放氧气，反复循环时电解液会逐渐腐蚀正极材料，而且循环过程中还会发生层状相到尖晶石相再到岩盐相的相变，上述因素使得材料的容量及电压在循环时不断衰减，从而延缓富锂锰基正极材料的商业化应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种尖晶石相外延包覆的硫化富锂锰材料及其制备方法和其在高比能锂离子电池中的应用，该材料用作锂离子电池正极时，表现出优异的循环稳定性以及高的比容量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的第一个目的是提供一种尖晶石相外延包覆的硫化富锂锰材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将镍源、钴源、锰源溶解在溶剂中，得到溶液A；将沉淀剂溶解在溶剂中，得到溶液B；优选的，所述溶剂为水；所述镍源为六水硫酸镍，所述钴源为六水硫酸钴，锰源为一水硫酸锰；六水硫酸镍、六水硫酸钴、一水硫酸锰的摩尔比为1：1：4.15；沉淀剂可使用碳酸钠或氢氧化物，当使用碳酸钠为沉淀剂时，后续共沉淀反应中调节混合混合溶液的PH为7-8；当使用氢氧化物为沉淀剂时，后续共沉淀反应中调节混合混合溶液的PH为10-11。