[發(fā)明專利]鋰離子動力電池正極材料尖晶石錳酸鋰的制備方法

無效

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• 申請日: 2011-08-29
• 公開（公告）號: CN102306767A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設計）人: 鄧伯華;汪勇;吳慶余;屈德宇;肖亮
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發(fā)明涉及一種鋰離子動力電池正極材料尖晶石錳酸鋰的制備方法，該方法制備的錳酸鋰材料具有結晶度高、錳溶解低和氧缺陷小等特征，適用于鋰離子動力電池正極材料。

背景技術

鋰離子電池目前廣泛應用在手機、筆記本電腦和照攝像機等電子產(chǎn)品中。其主要優(yōu)點是單電池電壓高(3.6V)、循環(huán)壽命長、能量密度高和無記憶效應等。近年來，鋰離子電池在電動工具、電動自行車和電動汽車中的應用也在拓展之中。目前阻礙鋰離子電池在電動汽車以及大型儲能電池系統(tǒng)中應用的主要原因是電池的價格，影響電池價格的主要因素之一是鋰離子電池正極材料。目前在手機和筆記本電腦鋰離子電池中大量使用的是LiCoO₂材料，價格相對較貴。可以用于替代LiCoO₂的正極材料有LiNiO₂、錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰等，其中錳酸鋰具有錳自然資源豐富和價格低廉等優(yōu)勢。但是，用作鋰離子電池正極材料的錳酸鋰存在高溫循環(huán)容量衰減問題，這主要是由于錳酸鋰材料晶體結構循環(huán)穩(wěn)定性差、錳溶解和氧缺陷等因素所致。

為了解決錳酸鋰的高溫循環(huán)容量衰減問題，必須提高錳酸鋰晶體結構循環(huán)穩(wěn)定性，降低錳溶解和消除或者控制氧缺陷。對錳酸鋰進行摻雜處理如摻雜Mg、Al或者Cr等非錳金屬元素，有利于提高錳酸鋰的晶體結構循環(huán)穩(wěn)定性。錳溶解問題不僅會影響錳酸鋰的循環(huán)穩(wěn)定性，而且電解液中的錳離子還會沉積在碳負極表面導致負極容量衰減，因此必須大大降低錳溶解量。改善錳酸鋰材料的結晶度和表面狀態(tài)有利于降低錳溶解。此外，晶體結構中的氧缺陷也是導致錳酸鋰材料循環(huán)穩(wěn)定性差的原因之一，必須得到控制或者消除。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術提供一種鋰離子動力電池正極材料尖晶石錳酸鋰的制備方法，其工藝簡單，所得尖晶石錳酸鋰材料錳溶解低、氧缺陷小，適用于鋰離子動力電池正極材料。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是：鋰離子動力電池正極材料尖晶石錳酸鋰的制備方法，包括有如下步驟：

1)原料選擇：選取錳氧化物、鋰源材料和摻雜金屬元素氧化物進行混合，所述的混合物中Li/(Mn+Me)的摩爾比為1.0～1.1∶2，Me/(Mn+Me)的摩爾比為0.05～0.15∶1，其中Me代表摻雜金屬元素；

2)將步驟1)所得的混合物混合均勻后送入連續(xù)燒結爐中進行高溫梯度燒結處理，梯度燒結詳細步驟如下：第一步燒結，在1000～1200℃下燒結3～5小時；第二步燒結，在800～900℃下燒結4～6小時；第三步燒結，是在500～700℃下燒結5～8小時，同時通入壓縮空氣。燒結結束后自然冷卻，經(jīng)過粉碎和分級處理即可得到尖晶石錳酸鋰材料。

按上述方案，所述的尖晶石錳酸鋰材料的分子式為LiMn_2-xMe_xO_4-z，其中x＝0.1～0.25，z代表氧缺陷的化學計量，z＜0.005。

按上述方案，所述的錳氧化物為電解MnO₂、化學MnO₂、Mn₃O₄或者MnOOH中的任意一種。

按上述方案，所述的鋰源材料是LiOH、Li₂CO₃或LiNO₃中的任意一種。

按上述方案，所述的摻雜金屬元素是Li、Al、Cr、Co、Mg、Ca、Ni、Zn中的任意一種或者多種的混合。

按上述方案，所述的錳酸鋰材料顆粒平均尺寸在3～8微米，比表面積為0.3～0.6m²/g。

本發(fā)明與現(xiàn)有錳酸鋰技術相比具有以下優(yōu)點：工藝簡單，在摻雜處理提高循環(huán)穩(wěn)定性的基礎上采用高溫梯度燒結法，可以通過超高溫燒結處理(高于1000℃)控制錳酸鋰的結晶度和表面狀態(tài)以降低錳溶解，此后通過低溫燒結處理(500～700℃下燒結，同時通壓縮空氣)控制或者消除氧缺陷。因此通過本發(fā)明所述的高溫梯度燒結法制備的摻雜錳酸鋰材料同時具有晶體結構循環(huán)穩(wěn)定性好、錳溶解低和氧缺陷小的特征，其高溫循環(huán)性能得到很大改善，適合于用作鋰離子動力電池正極材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中摻雜尖晶石錳酸鋰的X射線衍射圖(XRD)；

圖2是本發(fā)明實施例1中摻雜尖晶石錳酸鋰的掃描電子顯微鏡照片；

圖3是本發(fā)明實施例1中摻雜尖晶石錳酸鋰的放電容量循環(huán)變化圖。

具體實施方式