一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料的制备方法，属于锂离子电池正极材料领域。本发明专利技术以四水合醋酸镍和四水合醋酸锰为原料，乙二醇用作封端剂和螯合剂，水合肼被用作形貌导向剂，基于水合肼和乙二醇在水热反应中的协同作用合成前驱体，再经过预煅烧和碳酸锂混合过程控制煅烧，能够实现三维镍锰酸锂正极材料的制备，为终产物提供了丰富多样的形貌和性能，本发明专利技术制得的三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料相互连接，在整体上，广阔且不间断的三维沙漠波浪结构有助于电子的快速迁移，能够实现无阻碍的电子传输；在局部上，均匀且准圆形的纳米圆盘可以缩短锂离子的扩散距离，形成一个不间断的导电网络，提供优异的导电性和迁移率。

【技术实现步骤摘要】
一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池正极材料
，尤其涉及一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
20世纪以来，现代科技与工业发展迅猛，人类对自然资源的需求日益加大。为解决化石能源日益枯竭的问题，寻求新型能源模式已经成为人类的重要使命。目前最常用的电化学二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池四种。其中锂离子电池(LIBs)作为一种兼备比能量高、无记忆效应、工作电压高、安全、寿命长及循环性能好等突出优点的新型能源，在移动设备，电动车，混合动力车等各种领域拥有广阔的应用前景。镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)作为锰酸锂(LiMn2O4)的一种镍取代产物，不仅继承了后者高放电容量(147mAh/g)的特点，还具备4.7V的高电压放电平台。相较于其他商业化材料，它的性能优势更加突出。但是，当镍锰酸锂被用作正极材料时，其电化学性能又常常受形貌、粒度和结晶度等因素不同程度的影响。为进一步提高镍锰酸锂正极的倍率性能，现有技术通过将镍锰酸锂二维立体化来提高镍锰酸锂正极材料的倍率性能，该结构能有效地增强材料的循环稳定性和倍率性能，提高产品的应用价值，但是仍然存在循环稳定性差的问题。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用。本专利技术制得的三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料具有优异的循环稳定性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、水和乙二醇混合，得到混合溶液；(2)将水合肼滴加到所述步骤(1)得到的混合溶液中后进行水热反应，得到镍-锰前驱体；(3)将所述步骤(2)所得到的镍-锰前驱体进行预煅烧，得到预煅烧产物；(4)将所述步骤(3)得到的预煅烧产物与碳酸锂混合后进行过程控制煅烧，得到三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料，所述过程控制煅烧的温度为700～800℃，所述过程控制煅烧的时间为10～15h。优选地，所述步骤(1)中四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、乙二醇与水的用量比为0.5mmol:1.5mmol:5～10mL:40～50mL。优选地，所述步骤(2)中水合肼与混合溶液中四水合醋酸镍的摩尔比为9～11:0.5。优选地，所述步骤(2)中水合肼的滴加速率为5～7s/滴。优选地，所述步骤(2)中水热反应的时间为10～15h，水热反应的温度为150～200℃。优选地，所述步骤(3)中预煅烧的温度为350～450℃，预煅烧的时间为2～3h。优选地，所述步骤(4)中碳酸锂中的锂元素、四水合醋酸镍中的镍元素与四水合醋酸锰中的锰元素的摩尔比为1.03～1.08:0.5:1.5。优选地，升温至步骤(3)所述的预煅烧温度以及升温至步骤(4)所述的过程控制煅烧温度的升温速率独立地为150～200℃/h。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制得的三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料，三维沙漠波浪结构是由一次纳米圆盘紧密堆叠形成的分层次结构，沙漠波浪沿特定方向形成，而不是无序生长，通过脊和谷交错连接，并在整个空间中不间断延伸。本专利技术还提供了上述技术方案述的三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料在锂离子电池中的应用。本专利技术提供了一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：将四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、水和乙二醇混合，得到混合溶液；将水合肼滴加到混合溶液中后进行水热反应，得到镍-锰前驱体；将镍-锰前驱体进行预煅烧，得到预煅烧产物；将预煅烧产物与碳酸锂混合后进行过程控制煅烧，得到三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料，所述过程控制煅烧的温度为700～800℃，所述过程控制煅烧的时间为10～15h。本专利技术以四水合醋酸镍和四水合醋酸锰为原料，乙二醇用作封端剂和螯合剂，水合肼用作形貌导向剂，基于水合肼和乙二醇在水热反应中的协同作用合成前驱体，再经过预煅烧和碳酸锂混合过程控制煅烧，能够实现三维镍锰酸锂正极材料的制备，为终产物提供了丰富多样的形貌和性能，本专利技术制得的三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料相互连接，在整体上，广阔且不间断的三维沙漠波浪结构有助于电子的快速迁移，能够实现无阻碍的电子传输；在局部上，均匀且准圆形的纳米圆盘可以缩短锂离子的扩散距离，形成一个不间断的导电网络，提供优异的导电性和迁移率，基于这两方面的结构优势，实现对锂离子和电子的高效传输，增强电极动力学性能并增大电活性区域，其互连性和整体性可以有效减少电子传输阻碍，缩短锂离子扩散路径，所获得的三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的倍率性能、比容量和循环稳定性提升明显。实验结果表明，将本专利技术制得的三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料用于制备锂离子电池，测试其电化学性能，在200次循环后，其比容量在10C达到130mAh/g，容量保持率为91％，并且在15和20C的高倍率下，200次循环后放电容量仍分别高达117和108mAh/g，具有优异的循环稳定性和倍率性能。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术制备镍锰酸锂正极材料的流程图；图2为实施例1所得镍锰前驱体和镍锰酸锂正极材料的形貌表征结果，其中图a和b分别为低倍和高倍放大镍-锰前驱体的扫描电镜图；图c和d分别为低倍和高倍放大镍锰酸锂正极材料的扫描电镜图(图d中插图为局部细节放大图)；图e为选定区域的扫描电镜图以及镍锰酸锂正极材料的镍，锰和氧元素的EDX映射图；图f和g分别为低倍和高倍放大镍锰酸锂正极材料的透射电镜图；图h为镍锰酸锂正极材料的高分辨透射电镜图(图h中插图为相应的傅里叶变换图像)；图3为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的XRD图；图4为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的红外光谱图；图5为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的拉曼光谱图；图6为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料制备的锂离子电池的循环伏安曲线；图7为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料制备的锂离子电池的交流阻抗图谱；图8为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料制备的锂离子电池的充放电曲线；图9为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的锂离子电池的放电倍率性能图；图10为实施例1所得三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的锂离子电池的循环稳定性测试图。具体实施方式本专利技术提供了一种三维沙漠波浪结构的镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、水和乙二醇混合，得到混合溶液；(2)将水合肼滴加到所述步骤(1)得到的混合溶液中后进行水热反应，得到镍-锰前驱体；(3)将所述步骤(2)所得到的镍-锰前驱体进行预煅烧，得到预煅烧产物；(4)将所述步骤(3)得到的预煅烧产物与碳酸锂中的锂元素、四水合醋酸镍中的镍元素与四水合醋酸锰中的锰元素的摩尔比为1.03～1.08:0.5:1.5的碳酸锂混合后进行过程控制煅烧，得到三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料，所述过程控制煅烧的温度为700～800℃，所述过程控制煅烧的时间为10～15h。图1为本专利技术所提供的制备方法的流程图。将水合肼溶液滴加至混合溶液中，基于水合肼和乙二醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、水和乙二醇混合，得到混合溶液；(2)将水合肼滴加到所述步骤(1)得到的混合溶液中后进行水热反应，得到镍‑锰前驱体；(3)将所述步骤(2)所得到的镍‑锰前驱体进行预煅烧，得到预煅烧产物；(4)将所述步骤(3)得到的预煅烧产物与碳酸锂混合后进行过程控制煅烧，得到三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料，所述过程控制煅烧的温度为700～800℃，所述过程控制煅烧的时间为10～15h。

【技术特征摘要】
1.一种三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、水和乙二醇混合，得到混合溶液；(2)将水合肼滴加到所述步骤(1)得到的混合溶液中后进行水热反应，得到镍-锰前驱体；(3)将所述步骤(2)所得到的镍-锰前驱体进行预煅烧，得到预煅烧产物；(4)将所述步骤(3)得到的预煅烧产物与碳酸锂混合后进行过程控制煅烧，得到三维沙漠波浪结构镍锰酸锂正极材料，所述过程控制煅烧的温度为700～800℃，所述过程控制煅烧的时间为10～15h。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中四水合醋酸镍、四水合醋酸锰、乙二醇与水的用量比为0.5mmol:1.5mmol:5～10mL:40～50mL。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水合肼与混合溶液中四水合醋酸镍的摩尔比为9～11:0.5。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水合肼的滴加速率为5～7s/滴。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅涛，周诗远，陶志，崔振起，王建颖，李金华，王贤保，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42