[發(fā)明專利]一種離子共摻雜制備尖晶石型錳酸鋰正極材料的方法

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• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109830655A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 丁現亮;張學紅;賀兆書;劉琦;楊忠彬;和明莉
• 申請（專利權）人: 新鄉(xiāng)市中天新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發(fā)明公開了一種離子共摻雜制備尖晶石型錳酸鋰正極材料的方法，采用納米二氧化錳和電池級碳酸鋰作為主原料，再加入納米氧化釹、納米五氧化二釩或納米二氧化鈦中的一種或多種作為添加劑，將主原料與添加劑在斜式混料機中混合均勻，再將混合均勻的物料于750～850℃預燒結15～20小時，燒結后加入納米氫氧化鋁或納米氫氧化鎂中的一種或多種進行包覆處理，然后于600～700℃燒結10～15小時，最后均化過篩得到尖晶石型錳酸鋰正極材料。本發(fā)明制得的錳酸鋰材料顆粒均勻，粒度呈正態(tài)分布，加工性能優(yōu)越，具有較高的克比容量，1C克容量可達110mAh/g以上，同時兼顧優(yōu)越的循環(huán)性能，1C循環(huán)可達500次以上。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰離子電池正極材料的制備技術領域，具體涉及一種離子共摻雜制備尖晶石型錳酸鋰正極材料的方法。

背景技術

鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現代高性能電池的代表。近年來，鋰離子電池產業(yè)受到世界各國的高度重視以及資金上的大力支持，鋰離子電池正逐步取代鉛酸電池等傳統(tǒng)電池，已大量應用在新能源汽車、消費電子類產品(手機、筆記本電腦、智能穿戴等產品)及儲能領域等。

中國是鋰電池重要的生產國之一，2014年，中國鋰離子電池產量達52.87億只，占全球總產量比重達到71.2％，已連續(xù)十年位居全球首位。2017年中國鋰電池產量突破100億只，增速達27.81％，2018年預計全國鋰電池產量達到121億只，增速22.86％。2018年消費型鋰離子電池市場需求將維持3％左右的低速增長。與消費類電池不斷下降相對于的是動力電池的需求迅猛發(fā)展，市場占比從2012年的7％左右到2016年的45％，長期來看，新能源汽車是我國未來幾年的重要產業(yè)，存在巨大的市場空間，預計2018年動力電池市場占比有望過60％，成為鋰離子電池未來發(fā)展的主要支柱。

鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內部材料的結構和性能。其中正極材料、負極材料的選擇和質量直接決定鋰離子電池的性能與價格。負極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料已經成為制約鋰離子電池性能進一步提高、價格進一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產的鋰離子電池中，正極材料的成本大約占整個電池成本的40％左右，正極材料價格的降低直接決定著鋰離子電池價格的降低。

目前商業(yè)化應用的正極材料主要有鈷酸鋰，三元材料，錳酸鋰和磷酸鐵鋰。鈷酸鋰壓實密度大，充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，電導率高，生產工藝簡單、容易制備等但價格昂貴，抗過充電性較差，循環(huán)性能有待進一步提高。三元材料能量密度高，組份可調整以適應不用需求，但成本較高，尤其是安全性差，會阻礙三元材料的發(fā)展。磷酸鐵鋰具有高穩(wěn)定性、更安全可靠、更環(huán)保。主要缺點是低溫性能極差(溫度低于-10℃時無法正常工作)能量密度較低，電導率低。錳酸鋰晶體結構穩(wěn)定，原料來源廣泛，較高的工作電壓，充放電電壓平緩，循環(huán)壽命長，安全性能高，無毒且環(huán)境友好，同時產品一致性非常好，是非常具有前景的鋰離子電池正極材料。

由于錳資源比較豐富，工藝制備簡單，性能相對穩(wěn)定，是比較具有實用化的材料之一。尖晶石型LiMn₂O₄屬于立方晶系，Fd3m空間群。Li⁺位于1/8的四面體的8a位，錳離子位于八面體間隙位置，氧離子位于32e位置，呈面心立方密堆積，構成主體骨架。因此Li⁺是沿著間隙8a-16c-8a在[Mn₂O₄]的三維隧道中脫嵌，具有4V的對鋰電位，理論容量為148mAh/g，實際容量只能達到110～120mAh/g，雖然取得了較好的使用效果，但是其比容量有待進一步提高。

發(fā)明內容

本發(fā)明解決的技術問題是提供了一種工藝簡單且成本低廉的離子共摻雜制備尖晶石型錳酸鋰正極材料的方法。