[發明專利]一種鋰離子電池正極材料的制備方法

無效

• 申請號: 200810037776.5
• 申請日: 2008-05-21
• 公開（公告）號: CN101286562A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 溫兆銀;林賓;顧中華
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/48;H01M4/04;C01D15/00;C01G1/02;C04B35/622
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發明領域

本發明涉及一種鋰離子電池正極材料的制備方法，屬于能源材料領域。

技術背景

鋰離子電池與傳統電池相比，具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電率低等顯著優點，因此被廣泛應用作小型便攜式電器電源。在材料研究方面，相對負極而言，提供鋰離子電池鋰源的正極材料研究較為滯后，成為制約鋰離子電池整體性能進一步提高的關鍵因素。目前鋰離子電池正極材料中，使用最廣泛的是鈷酸鋰(LiCo?O₂)，但LiCo?O₂成本很高、對環境有害，而且容量也不高。因此近年來，科學家們積極探索新的可用于鋰離子電池的正極材料。

2001年，T.Ohzuku發現了新的層狀過渡金屬氧化物Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂。這種材料具有可逆容量高、熱穩定性好、成本低、對環境污染小等優點，因此該材料被認為是用于高容量高功率鋰離子電池最有應用前景的正極材料之一，成為近年來的研究熱點。

Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂由于復合了Ni、Co和Mn多種過渡金屬元素，通過一般的方法很難合成得到高純度的材料，而且其大電流放電能力也與合成方法緊密相關。Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂通常是通過固相反應法合成的。這種方法需要在較高溫度下進行長時間反復的熱處理，而且對材料的晶粒生長、組分的均一性、微觀形貌和微結構都很難進行控制。

為了克服這些缺點，發明了許多基于溶液體系的合成方法，包括氫氧化物共沉淀、碳酸鹽共沉淀、超聲噴霧熱解、溶液噴霧干燥、甘氨酸-硝酸鹽熱解以及溶膠凝膠法等等。但這些方法中有的合成路線較復雜，有的使用的試劑比較昂貴，而且需要大量的時間來對前驅物進行干燥。此外，由于上述制備過程中大量使用了有機酸或者氫氧化物，對生產設備具有腐蝕性，往往使這些復雜的制備方式只能局限于實驗室，難以實現大規模工業化生產。

發明內容

本發明的目的是提出一種漿料噴霧干燥方法制備鋰離子電池正極材料Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂粉體，通過漿料噴霧干燥法，在使用較少腐蝕性試劑、較短的時間內、較低的燒結溫度和較簡單的工藝條件下獲得粒徑分布均勻，團聚少，無雜相的鋰離子電池正極材料Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂粉體。具體過程如下：

(1)按Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂化學計量比稱取含鋰、鎳、鈷和錳的不溶于酒精的氧化物或鹽為原料(包括碳酸鋰、氧化鎳、碳酸鎳、四氧化三鈷、碳酸鈷、氧化錳、碳酸錳等)，混勻后在450-700℃加熱預分解；

(2)按照30-60wt％的固含量加入適量酒精，球磨混勻后，加入質量百分比為3-10％的聚乙烯醇丁醛作為粘結劑，再球磨混勻制得穩定漿料；

(3)將漿料在噴霧干燥器中進行噴霧干燥，制得混合前驅粉。控制進口空氣溫度為120-180℃，出口為60-100℃；

(4)最后在800～1000℃溫度下空氣氣氛中煅燒5-20小時，可得具有優良電化學性能的鋰離子電池正極材料Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂多孔球形粉體。

對所得材料使用X射線衍射方法確定材料的組分，掃描電子顯微鏡被用來對粉體材料的微觀形貌和粒徑大小進行觀察。為了表征材料的電化學性能，將得到的活性物質與乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按80∶10∶10的質量比在N-甲基吡咯烷酮(NMP)介質中制成漿料，涂布于鋁箔上進行干燥制成電極膜，然后以金屬鋰箔為對電極組裝成扣式電池，在2.5-4.5V的電壓范圍內，以32、80、160、320和640mA?g^-1的電流密度，分別進行20次充放電循環實驗。