[發(fā)明專利]一種高電壓鋰離子電池正極材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310280603.7
• 申請日: 2013-07-05
• 公開（公告）號: CN103332754A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張沛龍;張亞媛;葛靜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京浩運(yùn)金能科技有限公司
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00;H01M4/525;H01M4/505
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池正極材料及其制備方法，屬于鋰電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于移動通訊、筆記本電腦等便捷式電子產(chǎn)品，隨著純電動車、混合電動車以及大型儲能領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對鋰離子電池的性能，尤其是能量密度和功率密度提出了更高的要求。電池的能量密度與電池的比容量和工作電壓有關(guān)，因此尋求高電壓和大容量的鋰離子電池正極材料具有非常重要的意義。

目前使用的鋰離子電池正極材料，如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂的工作電壓均低于4V，電池的能量密度和功率密度在應(yīng)用上受到了限制。因此5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料LiNi_0.5Mn_1.5O₄的出現(xiàn)便具有重要意義。高電壓的特點(diǎn)不但可以提高能量密度和功率密度，而且提高了單體電池的性能，從而減少所需串聯(lián)的單體電池的數(shù)量，給電池性能安全和成本帶來優(yōu)勢。但LiNi_0.5Mn_1.5O₄也存在高溫（≥55℃）循環(huán)性能差，容量衰減嚴(yán)重以及倍率性能不好的問題，本發(fā)明采用了氟離子與陽離子復(fù)合摻雜的方式，發(fā)揮F抑制HF腐蝕、陽離子抑制相轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢，通過復(fù)合摻雜重點(diǎn)解決單F摻雜導(dǎo)致的Mn³⁺離子過多、單陽離子摻雜抑制酸溶解效果不太大的問題。達(dá)到綜合利用陰、陽離子的優(yōu)點(diǎn)，同時使它們的缺點(diǎn)能盡量相互抵消，產(chǎn)生協(xié)同作用提高材料的倍率、高溫和循環(huán)性能。

目前，制備尖晶石鎳錳酸鋰（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）的方法常見的有高溫固相法、共沉淀法、熔鹽法、噴霧干燥熱解法、微波法等。常見的適用于產(chǎn)業(yè)化的方法為高溫固相法和共沉淀法。專利CN102774891-A采用高溫固相法以多步煅燒的方式合成了LiNi_0.5Mn_1.5O₄，此方法工藝簡單，對設(shè)備的要求低，產(chǎn)業(yè)較為容易，但此方法存在晶粒尺寸過大，分布寬，形貌不規(guī)則，有雜相生成的問題，且采用傳統(tǒng)煅燒工藝，煅燒時間較長（20h），不僅影響了材料性能，更導(dǎo)致生產(chǎn)過程成本高、效率低。專利CN101752553-A采用共沉淀法以錳鹽、鎳鹽和鋰的化合物為主要原料，以草酸為沉淀劑，氨水為絡(luò)合劑，制備了草酸鹽沉淀前驅(qū)體，然后將前驅(qū)體置于700-950℃中高溫煅燒8-20h得尖晶石型鎳錳酸鋰。制備的鎳錳酸鋰材料電化學(xué)性能優(yōu)異，但加熱時間長，耗能高。

本發(fā)明采用共沉淀法制備多元碳酸鹽前驅(qū)體，后與鋰鹽、LiF球磨混合，最后快速微波燒結(jié)法煅燒制得尖晶石型鎳錳酸鋰正極材料LiNi_0.5-xMn_1.5-yM_x+yF_zO_4-z。采用共沉淀法可通過調(diào)節(jié)工藝條件來調(diào)控產(chǎn)物的粒徑及形貌，達(dá)到分子水平上的均勻混合，制備的前驅(qū)體顆粒形貌完整，且粒徑適中均勻。煅燒工藝使用微波燒結(jié)法代替現(xiàn)有技術(shù)中的恒溫?zé)Y(jié)方法。與傳統(tǒng)的熱處理方式不同，微波燒結(jié)的原理是材料體內(nèi)的分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱，從而使被加熱材料的溫度不斷升高。微波燒結(jié)時材料的每個分子在較短的時間內(nèi)同時升溫至同一溫度。因此微波燒結(jié)法具有加熱時間短、耗能小、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)配方可控、所得材料性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子二次電池正極材料，使其具有優(yōu)異的大倍率性能和高溫性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的高電壓鋰離子二次電池正極材料，用通式LiNi_0.5-xMn_1.5-yM_x+yF_zO_4-z表示，采用陽離子（M分別取代Ni、Mn）、陰離子（F取代O）復(fù)合摻雜LiNi_0.5Mn_1.5O₄的方式，其中M為Mg、Cr、Ti、Co、Al、Fe、Zn、Cu元素的一種或幾種；0≤x≤0.1；0≤y≤0.2；0≤z≤0.2。