一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法，该方法是将九水硝酸铝完全溶于水中形成溶液，加入镍元素掺杂锰酸锂得到的复合物，搅拌均匀，然后缓慢加入几滴氨水调节溶液的pH，磁力搅拌4h后，过滤、洗涤多次再干燥，最后在空气气氛下450℃煅烧3h，得到Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料。本发明专利技术工艺简单，成本低，原料来源广泛，有利于大规模工业生产；所制备的复合材料循环性能和倍率性能十分优异，作为锂离子电池正极材料具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法
本专利技术属于新能源材料制备
，涉及一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法。
技术介绍
随着传统的化石能源不断的被开采利用，对环境造成严重的污染，人类对新能源的需求越来越大。锂离子电池由于具有工作电压高、体积小、重量轻、能量密度大、使用寿命长和绿色环保等优点，逐渐受到人们的关注，是当前新能源领域的研究热点。正极材料作为锂离子电池的关键材料之一，是影响锂离子电池性能的主要因素。然而高昂的成本和含Co复合材料的剧毒性促使研究者要不断寻找更合适的正极材料。尖晶石型锰酸锂是动力锂离子电池最有发展潜力的正极材料之一。因此，开发和利用尖晶石型锰酸锂作为锂离子电池的正极材料具有重大的意义。尖晶石型LiMn2O4材料以其低成本、低毒性、原料丰富和高安全性等优点被认为是最有可能取代钴酸锂的新一代正极材料。然而在电池使用过程中，锰酸锂也存在着较大的容量损失，而且高温下更严重，这就使得锰酸锂的循环性能十分差。为了有效提高锰酸锂的循环性能和倍率性能，体相掺杂和表面修饰成为改善的主要途径。体相掺杂是从晶格内部改善尖晶石型锰酸锂正极材料电化学性能的有效方法之一。通过掺杂一些金属阳离子来提高Mn离子的平均价态，防止电池在充放电过程中姜-泰勒效应的发生，从而使正极材料的结构稳定性大大提高。Mn的溶解导致的材料结构的改变也是影响提高LiMn2O4的电化学性能的一个因素，对此通过掺杂其他金属离子来部分取代Mn3+就有效防止了Mn的溶解，进而改善了电化学性能。表面包覆改性是抑制Mn的溶解和以及防止电解液在电极上分解进而改善LiMn2O4在高温度下的电化学性能的一种有效方法，根据包覆材料的不同可以将其分为有机物表面包覆和无机金属氧化物表面包覆。JinhuaCao等人采用高温固态燃烧法制备出碳包覆LiMn2O4的复合材料，经过电化学行为测试显示初始放电容量虽较高，达到132mAh/g，但其反应要求较高，需在750℃高温下反应(JinhuaCaoetal.Carbon-coatedsingle-crystallineLiMn2O4nanowiressynthesizedbyhigh-temperaturesolid-statereactionwithhighcapacityforLi-ionbattery[J].JournalofAlloysandCompounds,2018)。Qi-LingLi等人采用燃烧法制备出ZnO包覆LiMn2O4的复合材料，对比于包覆的纯相锰酸锂，虽具有较好的循环稳定性，但首次放电比容量仅在118mAh/g左右(Qi-LingLietal.ZnO-coatedLiMn2O4cathodematerialforlithium-ionbatteriessynthesizedbyacombustionmethod[J].Ionics，2016)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法。实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1，将碳酸锰、四水合乙酸镍、碳酸锂按摩尔比为1.5:0.5:2称取，加入几滴无水乙醇充分研磨后80℃干燥12h，置于马弗炉中，空气气氛下450℃预烧后研磨，750℃高温下煅烧18h得到镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4；步骤2，将九水硝酸铝搅拌溶于水中，形成均匀溶液。再将步骤1中已制备好的镍元素掺杂锰酸锂得到的复合物LiNi0.5Mn1.5O4加入到硝酸铝溶液中，搅拌混合均匀，滴加氨水调节pH至9±1，磁力搅拌4h后，过滤、洗涤再干燥得到前驱体；步骤3，将前驱体在空气气氛下450±50℃煅烧，得到Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4。优选地，步骤2中，所述的pH为9。优选地，步骤2中，所述的洗涤为蒸馏水洗涤3遍，无水乙醇洗涤3遍。优选地，步骤3中，所述的前驱体煅烧温度为450℃。优选地，步骤3中，升温速率为5℃/min。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术方法制备的Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4，Al2O3作为包覆层较好的减少了正极材料与电解液的接触，从而减少了锰离子的溶解，提高了循环性能、倍率性能以及安全性；(2)本专利技术方法制备的Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4，少量的Al2O3包覆对LiMn2O4材料的晶体结构并没有影响，因Al2O3具有良好的化学稳定性以及两性氧化物所具有的高电子电导率，使制备的正极材料电化学性能得到极大的改善。附图说明图1为Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4和镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4的XRD图。图2为Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4(a)和镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4(b)的TEM局部放大图。图3为Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4和镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4的循环性能曲线图。图4为Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4和镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4的在不同电流密度下的倍率性能图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。实施例1(1)硝酸铝溶液的配制：配制溶液时，称取九水硝酸铝溶于40ml去离子水中，搅拌直至完全溶解；(2)镍元素掺杂锰酸锂得到的复合物LiNi0.5Mn1.5O4的制备：将将碳酸锰、四水合乙酸镍、碳酸锂按摩尔比为1.5:0.5:2称取，加入几滴无水乙醇充分研磨后80℃干燥12h，置于马弗炉中，空气气氛下450℃预烧后研磨，750℃高温下煅烧18h得到镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4；(3)混合液的制备：将镍元素掺杂锰酸锂得到的复合物LiNi0.5Mn1.5O4粉末加入到(1)溶液中，磁力搅拌均匀形成混合液；(4)前驱体的制备：滴加氨水调节混合液(3)的pH至9，磁力搅拌4h后，过滤、洗涤再干燥得到前驱体；(5)前驱体的煅烧：将上述前驱体在空气气氛下450℃煅烧3h，即得Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4。图1是Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4和镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4的XRD图，可知包覆材料各衍射峰均与镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4衍射峰基本一致，且无杂质峰，属于尖晶石结构和Fd3m空间群，这也表明了用Al2O3对LiNi0.5Mn1.5O4颗粒进行表面包覆没有改变LiNi0.5Mn1.5O4的晶格结构。图2是Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4(a)和镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4(b)的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将碳酸锰、四水合乙酸镍、碳酸锂按摩尔比为1.5:0.5:2称取，加入几滴无水乙醇充分研磨后80℃干燥12h,置于马弗炉中，空气气氛下450℃预烧后研磨，750℃高温下煅烧18h得到镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4；步骤2，将九水硝酸铝溶于去离子水中形成溶液，加入已制备好的镍元素掺杂锰酸锂得到的复合物LiNi0.5Mn1.5O4，搅拌均匀形成混合溶液；然后缓慢加入氨水调节溶液PH至9±1，磁力搅拌4h后，过滤、洗涤多次再干燥,得到前驱体；步骤3，将前驱体在空气气氛下450±50℃煅烧，得到Al2O3包覆的镍元素掺杂锰酸锂的复合材料Al2O3/LiNi0.5Mn1.5O4。

【技术特征摘要】
1.一种包覆镍元素掺杂锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将碳酸锰、四水合乙酸镍、碳酸锂按摩尔比为1.5:0.5:2称取，加入几滴无水乙醇充分研磨后80℃干燥12h,置于马弗炉中，空气气氛下450℃预烧后研磨，750℃高温下煅烧18h得到镍元素掺杂锰酸锂的复合材料LiNi0.5Mn1.5O4；步骤2，将九水硝酸铝溶于去离子水中形成溶液，加入已制备好的镍元素掺杂锰酸锂得到的复合物LiNi0.5Mn1.5O4，搅拌均匀形成混合溶液；然后缓慢加入氨水调节溶液PH至9±1，磁力搅拌4h后，过滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：卑凤利，朱律忠，陈均青，余毛省，陈俊辉，储海蓉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32