[發明專利]一種層狀結構鋰離子電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210271814.X
• 申請日: 2012-07-31
• 公開（公告）號: CN102779992A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 涂江平;施少君;唐陽洋;張永起;俞迎霞;王秀麗;谷長棟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及鋰離子電池正極材料領域，具體涉及一種層狀結構鋰離子電池正極材料及其制備方法。

背景技術

與傳統的二次電池相比，鋰離子電池具有平臺電壓高（約3.2~3.7V）、能量密度高、無記憶效應等優點，在移動電話、攝像機、筆記本電腦、便攜式電器等上得到了廣泛應用。目前已經商品化生產的鋰離子電池主要采用LiCoO₂為正極材料，LiCoO₂具有較高的容量和較好的穩定性，但是這種正極材料存在性能上、經濟上、環境上的問題。Ohzuku和Makimura等在文獻“用于鋰離子電池的層狀鋰離子插入型正極材料LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂”（Layered?lithium?insertion?material?of?LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂for?lithium-ion?batteries?Ohzuku?T;Makimura?Y，Chemistry?Letters7（2001）642-643）中公開了LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/3O₂，發現錳、鎳、鈷能有效的結合，形成三元的層狀結構，其中錳元素為+4價，起到電荷補償的作用，鎳為+2價，是主要的氧化還原反應活性物質，而鈷為+3價。但是其容量受限，在2.5~4.6V下放電容量約為200mAh?g^-1。

公開號為CN101083321A的中國發明專利申請公開了一種錳鈷鎳三元鋰離子電池正極材料，化學式為LiMn_1/2Ni_1/4Co_1/4O₂，其穩定的可逆比容量為158mAh?g^-1，容量有限，該材料的制備方法包括：按摩爾比Mn：Co：Ni=2：1：1配制由+2價錳鹽、+2價鈷鹽、+2價鎳鹽組成的合金鹽溶液，將合金鹽溶液、氨水、氫氧化鈉溶液通過計量泵計量后分別同時加入反應體系中，得到前驅體錳鈷鎳的復合氫氧化物，然后將鋰源物質與前驅體錳鈷鎳的復合氫氧化物混合，在600℃~1000℃的溫度下焙燒6h~30h，分解得到產品。通過共沉淀法制備，制備涉及中間溶膠-凝膠的過程，制備過程復雜，需要進一步簡化。

為了提高放電容量，可以通過加入過量的鋰，同時調節過渡金屬元素的比例，可以得到具有高容量的形式為aLi₂MnO₃·(1-a)LiMO₂（0≤a≤0.7，M=Mn,Ni,Co）的富鋰層狀結構鋰離子電池正極材料。在2.0V~4.8V的電化學窗口下其能放出約260mAh?g^-1以上的容量，被認為是最具應用前景的高容量鋰離子電池正極材料之一。

但是該類富鋰層狀結構鋰離子電池正極材料的循環穩定性和倍率性能仍不夠理想，達不到實際應用的要求。特別是由于電導率較低的Li₂MnO₃相的存在和首次活化過程中產生的晶格有序度下降，使得鋰離子的傳輸受到影響，因而該類富鋰層狀結構鋰離子電池正極材料的倍率性能成為其實際應用的瓶頸之一。

為了提高材料的倍率性能，通過不同的制備方法來控制材料的顆粒尺寸成為一種有效提高富鋰層狀結構鋰離子電池正極材料倍率性能的方法。

發明內容

本發明提供了一種層狀結構鋰離子電池正極材料的制備方法，采用乙醇同時作為溶劑和燃料，簡化了制備工藝的同時，更快速劇烈的反應有利于納米級均勻顆粒的形成。

一種層狀結構鋰離子電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

將鋰鹽、鎳鹽、錳鹽和鈷鹽溶于乙醇，形成金屬鹽乙醇溶液，將金屬鹽乙醇溶液在空氣或氧氣氣氛下400℃~600℃點燃，點燃后反應5min~15min，之后冷卻，再在700℃~900℃退火后得到層狀結構鋰離子電池正極材料。

本發明通過乙醇助燃法制備層狀結構鋰離子電池正極材料，相對于共沉淀的制備方法，不涉及中間溶膠-凝膠的過程，制備過程簡單，并且制備的層狀結構鋰離子電池正極材料具有優異倍率性能。