[發明專利]一種具有尖晶石結構的高電壓鋰離子電池正極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201610105577.8
• 申請日: 2016-02-25
• 公開（公告）號: CN105576231A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 張海朗;張磊
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所(普通合伙) 32104
• 代理人: 曹祖良;任月娜

技術領域

本發明涉及一種具有尖晶石結構的高電壓鋰離子電池正極材料及其制備方 法，屬于鋰離子電池技術領域。

背景技術

鋰離子電池因其具有比能量大、自放電小、循環壽命長、安全性能好等優 點，已被廣泛應用于各種可移動電子設備和高能量設備，如智能手機、筆記本 和電動汽車等。

在眾多正極材料中，LiCoO₂已成功商業化并且被廣泛使用，而鈷卻是一種 比較貧乏且價格昂貴的資源，并且對環境產生污染。相比于LiCoO₂，尖晶石 LiMn₂O₄正極材料則具有資源豐富、成本低、無環境污染、安全性能好等優點， 被認為是最有希望代替LiCoO₂的正極材料。但是經過近幾年來的研究表明，在 充放電過程中，LiMn₂O₄材料存在Jahn-Teller效應，導致其循環性能較差、比容 量衰減以及高溫性能差。為克服這些缺陷，SigalaC等提出用其他金屬元素部分 取代錳元素來合成LiM_xMn_2-xO₄(M＝Co，Cr，Ni，Fe，Cu等)改善尖晶石LiMn₂O₄的性能。其中，5V高電壓尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄備受關注。電池的能量密度約為 電池放電電壓和容量的乘積，高電壓尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有約4.7V的放電 電勢和約147mAh/g的理論容量，其能量密度達到686Wh/kg，具有極高的開發 潛力。

雖然高電壓尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有極高的放電電勢和能量密度，但是 LiNi_0.5Mn_1.5O₄在充放電過程中，其電解液在高電壓下極易被氧化，在材料表面 形成固體電解質界面層，阻礙了鋰離子的脫嵌，使其容量大大降低，其循環性 能變差，高溫下此情況更嚴重。除此之外，在材料的合成制備中，其煅燒溫度 高于600℃時，其容易形成如Li_xNi_1-xO和NiO等雜質，導致其電化學性能惡化。

發明內容

本發明的目的是解決現有高電壓尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正極材料首次庫倫效 率低、循環性能和倍率性能差的問題，提供一種具有高性能低成本的高電壓尖 晶石型鋰離子電池正極材料及其制備方法，并且使用Li摻雜，形成富鋰型 LiNi_0.5Mn_1.5O₄正極材料，提高了化學性能。

本發明采用如下技術方案：一種具有尖晶石結構的高電壓鋰離子電池正極 材料，所述正極材料的化學通式為Li[M1_aNi_bM2_cMn_1.5]O₄，其中0.025≤a≤0.05， 0.4≤b≤0.45，0.025≤c≤0.05且a+b+c＝0.5，M1和M2為Mg、Zn、Fe、Li、 Al、Cr、Co中的一種或多種.

具有尖晶石結構的高電壓鋰離子電池正極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)按摩爾比將鋰鹽、錳鹽、鎳鹽、M1鹽、M2鹽和檸檬酸在攪拌條件下 溶于去離子水中，然后調節溶液pH至中性或弱堿性；

(2)在70～90℃的條件下，對步驟(1)得到的混合溶液在攪拌速度200～ 500轉/分鐘的條件下進行恒溫蒸發8～10小時，得到溶膠；

(3)將溶膠置于鼓風干燥箱中于80～120℃條件下干燥10～20小時，以蒸 發驅除水分，得到干凝膠；

(4)將干凝膠置于馬弗爐中進行煅燒，升溫速度為5℃/min，升溫至500 ℃，煅燒10～28小時，得到前驅體；