[發明專利]一種鋰離子二次電池正極粉末材料的誘導結晶合成方法

有效

• 申請號: 201110101638.0
• 申請日: 2011-04-22
• 公開（公告）號: CN102208611A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 王明月
• 申請（專利權）人: 王明月
• 主分類號: H01M4/1391
• 分類號: H01M4/1391
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域：

本發明屬于新能源材料技術領域，為鋰離子二次電池提供一種具有高循環穩定性及優異高溫循環性能的正極粉末材料。

(二)背景技術：

鋰離子二次電池自上世紀90年代由日本SONY公司發明以來，因為具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、無記憶效應、綠色環保等一系列優點，所以在便攜式電子設備如無繩電話、筆記本電腦、音樂播放器、數碼相機等領域獲得了飛速發展，成為二次電池發展的主要方向。能源危機及環境污染使得尋找潔凈、可再生的二次能源成為實現人類社會可持續發展亟待解決的任務；同時由于鋰離子二次電池的上述優點，作為一種能量儲存裝置，其應用領域不斷擴大并向大型化發展。目前在電動自行車、電動摩托車、電動工具、混合動力車、純電動車、儲能等領域已有應用并不斷發展。

正極材料是鋰離子二次電池的主要構件及性能優劣的關鍵決定因素之一。目前商品化的鋰離子二次電池用正極材料有層狀結構的LiCoO₂、Li(Ni，Co，Mn)O₂、Li(Ni，Co，Al)O₂，尖晶石結構的LiMn₂O₄，以及橄欖石結構的LiFePO₄等。其中層狀結構的正極材料具有安全性較差、成本高等缺點；橄欖石結構的正極材料存在電導率低、倍率性能差等缺點；而尖晶石結構的LiMn₂O₄正極材料及其改性衍生物則具有資源廣泛、成本較低、電壓平臺高、充放電性能優良、安全性能好、環境友好等優點，是下一代鋰離子電池特別是動力性鋰離子電池最具前景的材料之一。

目前尖晶石結構的LiMn₂O₄正極材料及其改性衍生物的合成方法一般有共沉淀法、溶膠-凝膠法、高溫固相法等。其中共沉淀法和溶膠-凝膠法易于實現金屬元素在原子水平上的均勻混合，具有合成溫度低、形貌優良、電化學性能好等優點，但是也存在合成工藝復雜、成本高、產品壓實密度低、工業化生產困難等一系列缺點。而高溫固相法一般將錳化合物和鋰化合物以特定比例混勻后在700～850℃的溫度范圍內燒制而成，因為生產操作簡單、易于工業化生產等成為尖晶石類正極材料的首選生產方法。但是上述傳統高溫固相法生產的材料一般情況下具有如下不足，即產品結晶性差、摻雜不均勻、結晶表面形貌不規則、壓實密度低、雜質含量高等，進而造成如Mn等金屬元素的溶解、電解液在高電位下分解、一定情況時發生姜-泰勒效應、材料晶格的不穩定等，又進而造成產品比容量低、循環壽命較短(尤其是高溫時的循環壽命)、制作成電池后能量密度低等一系列缺點。

(三)發明內容：

本發明的目的在于提供一種鋰離子二次電池用正極粉末材料的誘導結晶合成方法，它能夠提高產品結晶特性和摻雜均勻度，合成具有表面規則、壓實密度高、雜質含量低等特點的尖晶石結構的正極材料，對提高鋰離子電池性能、推動鋰離子電池更加廣泛的應用具有重要的經濟意義和實用價值。

一種鋰離子二次電池用正極粉末材料的誘導結晶合成方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)按金屬元素原子比n_Li∶(n_Mn+n_M)＝0.40～0.75，將含鋰化合物、含錳化合物、含摻雜元素的化合物或熔點在860℃以下的固體物質中的一種或幾種作為晶體生長的原料，加入固體粉末作為結晶基體；所述固體粉末的特征為主體具有Li_1+xMn_2-y-zM_zO_3-δ的組成通式，其中M為摻雜元素，-1≤x≤1；-1≤y≤2；y-x≤1；0≤z≤0.75；-0.5≤δ≤0.5，δ由金屬離子的價態確定以保持電中性；

(2)將上述物質進行均勻混合或結合，得到粉末原料；

(3)在含氧氣氛中，以600～1100℃的高溫下煅燒至少一次后，得到終產物即主體為尖晶石結構的鋰離子二次電池用正極粉末材料。