一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法。该富锂正极材料的化学计量式为Li1.2Mn0.6-xNi0.2RExO2，式中x为0～0.05，其中RE为稀土元素镧或铈。其制备过程包括：首先利用水溶性金属锰、镍、镧（或铈）盐、均相沉淀剂尿素配制混合溶液，利用水热法合成出碳酸盐混合物；再利用合成的碳酸盐混合物与碳酸锂球磨均匀混合后，混合物经高温固相反应制备得到富锂正极材料。本发明专利技术制备工艺简单，产品成本低，过程中易于控制材料质量。本方法制备的掺杂富锂正极材料具有比容量高、循环稳定性好、倍率性能得到改善等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法。属于锂离子电池正极材料基础领域。
技术介绍
锂离子电池属于二次电池，它具有能量密度高、无记忆效应、低自放电、循环寿命长等特点，已经在手机、笔记本电脑等便携电子产品中广泛应用。正极材料的性能往往决定了锂离子电池的性能，根据不同需求和应用领域，需要生产不同正极材料。1991年，索尼公司采用钴酸锂（Li2CoO2）作为正极材料，生产出首个锂离子电池。由于钴资源少、成本高，同时钴酸锂有毒、稳定性能较差，因此多用来制造小型锂离子电池，用于便携式电子产品。钴酸锂的实际放电比容量也仅有130mAh/g。从1996年开始，磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料因为原料丰富、成本低、稳定性好，被用来生产动力型锂离子电池，应用目标是电动汽车等，磷酸铁锂的放电比容量也较低，理论值为170mAh/g。从1999年，三元正极材料得到研究和广泛应用，对于组成为LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2的三元正极材料放电区域为2.5~4.2V时，其放电比容量约为150mAh/g。为降低成本和提高放电比容量，富锂正极材料近年受到重视。它具有较高的放电比容量（200～300mAh/g），原料来源丰富、价格较低。富锂正极材料可用通式xLi2MnO3·(1-x)LiMO2或Li[Li(1-2x)/3Mn(2-x)/3Mx]O2表示，其中0≤x≤1，M为过渡金属钴、镍、铁等，是一种固溶体材料，具有独特的充放电机理。当充电至4.5V以上时具有高于200mAh/g的放电比容量。目前富锂正极材料还存在一些问题，例如首次放电效率低、倍率性能偏低、循环性能差等,需要进一步改善。常见的富锂正极材料制备方法包括高温固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶合成法、燃烧法、喷雾干燥法等。这些方法大多难以形成元素分布均匀的正极材料，并且在制备时容易引入杂质，影响产品的电化学性能。为提高富锂正极材料的性能，常需要对其进行掺杂改性处理。例如，专利文献CN103441238A公开了一种掺杂镁的富锂正极材料及其制备方法；专利文献CN102037602A公开了一种采用氟离子掺杂改良材料的性能，改善其首次放电效率。水热法常被用来制备粒径大小和组成均匀的微晶体，它的工艺条件比较简单，操作方便。与共沉淀法相比，水热法不需要连续调整溶液的pH值、不需要搅拌；与溶胶-凝胶方法相比，它不需要耗用大量有机酸螯合剂等。利用水热法也能较容易的合成出两元或多元金属盐微晶材料，然后与锂源通过高温固相反应法制备出掺杂的富锂正极材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法。所述的富锂正极材料具有高放电比容量和良好的快速充放电稳定性，并且制备工艺简单、产品成本低，有利于工业化生产。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法，该富锂正极材料的化学计量式为Li1.2Mn0.6-xNi0.2RExO2，式中x为0～0.05，其中RE为稀土元素镧或铈，该材料为单相固溶体，平均晶粒大小为20～50nm，其特征在于包括以下步骤：（1）取硫酸锰和硝酸镍，按锰和镍摩尔比为3：1称量混合，搅拌配制水溶液；按照锰与镧或与铈摩尔比为1：（0～0.09），向含锰和镍水溶液中加入稀土元素的硝酸盐，配制成总浓度为0.07mol/L的混合物溶液。按照尿素与上述混合物溶液中全部金属离子摩尔比是2：1，称量尿素，搅拌下缓慢加入上述混合物水溶液中，完全溶解后，继续搅拌10～30min，形成透明的混合溶液；（2）将步骤（1）制得的混合溶液放入有聚四氟乙烯材料内衬的不锈钢反应釜中，密封后置于150～230℃烘箱中，恒温反应6～12h，然后过滤，用去离子水和无水乙醇洗涤滤饼至洗涤液的pH值至6～7，在60～100℃下真空干燥滤饼6～12h，得到碳酸盐粉体，其团聚形成的二次粒子尺寸在6～20μm；（3）将步骤（2）制得的碳酸盐粉体加入球磨罐中，并向其中加入碳酸锂，其中，锰和稀土元素用量之和与碳酸锂的摩尔比为1：（1.1～1.5），以球料比为40：1加入玛瑙球，加入无水乙醇以浸没料球，以200～400rmp/min球磨3～6h。将球磨后的混合浆料在80～100℃下真空干燥6～12h，得到干燥物料，研磨均匀后，置于马弗炉中，以3～10℃/min的速度升温至900℃，恒温5～10h。然后取出物料，置于室温环境下快速冷却。最后将物料研磨后通过500目筛子，得到富锂正极材料。本专利技术的优点在于：采用少量稀土元素镧（La）或铈（Ce）掺杂制备富锂正极材料，由于La-O（或Ce-O）键能较大，有利于形成稳定结构，所用La3+（或Ce3+）的离子半径比Mn4+的大，掺杂后有望扩大锂离子扩散通道，有利于锂离子的扩散，改善材料的电化学性能。本专利技术制备方法采用两步法，第一步利用水热法合成碳酸盐微晶体，利用尿素作为均相沉淀剂控制合成速度;第二步利用碳酸盐微晶体与碳酸锂混合后，利用高温固相反应合成掺杂的富锂正极材料。制备工艺流程简单，容易控制，产品质量稳定，电化学性能好。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的富锂正极材料(Li1.2Mn0.6Ni0.2O2)的XRD图谱。图2是本专利技术实施例1制备的富锂正极材料(Li1.2Mn0.6Ni0.2O2)的扫描电镜照片。图3是本专利技术实施例1制备的富锂正极材料(Li1.2Mn0.6Ni0.2O2)作为锂离子电池正极材料在20mA/g恒电流下首次充放电曲线。图4是本专利技术实施例1制备的富锂正极材料(Li1.2Mn0.6Ni0.2O2)作为锂离子电池正极材料在不同放电倍率下的放电比容量。图5是本专利技术实施例1富锂正极材料(Li1.2Mn0.6Ni0.2O2)作为锂离子电池正极材料在40mA/g的循环放电比容量，其中第1至第3次循环用20mA/g的恒电流充放电。图6是本专利技术实施例2制备的掺镧富锂正极材料(Li1.2Mn0.57Ni0.2La0.03O2)作为锂离子电池正极材料在20mA/g恒流放电时的第五次充放电曲线。具体实施方式实施例1取含结晶水的硫酸锰（MnSO4·H2O）0.710g和硝酸镍（Ni(NO3)2·6H2O）0.407g，搅拌溶解于80ml去离子水中，向其中加入0.672g尿素。搅拌溶解后，继续搅拌20min，得到透明混合溶液。将其放入容积为100ml有聚四氟乙烯材料内衬的不锈钢反应釜中，密封后加热到200℃，恒温反应6h。反应结束后，生成灰绿色沉淀。过滤后得到灰绿色滤饼，用去离子水800ml和无水乙醇200ml洗涤滤饼至洗涤液pH值为6.8。将滤饼在100℃的真空干燥箱中干燥6h。研碎得到灰绿色粉末。经XRD分析，该粉体材料为碳酸锰和碳酸镍的纳米微晶混合物。在扫描电镜下，该粉末呈现团聚状二次颗粒，尺寸范围为8～16μm。取0.440g上述碳酸盐粉体、0.223g碳酸锂、26.4g玛瑙球，加入球磨罐中，加入20ml无水乙醇，以250rmp/min的速度球磨3h。然后将浆料在80℃的真空干燥箱中干燥8h。干燥物料研磨成粉末后，置于马弗炉中，以5℃/min的速度升温至900℃，恒温8h后，停止加热，取出物料，在室温环境快速冷却至室温。然后将干燥物料研磨后过500目筛子，得到富锂正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法，该富锂正极材料的化学计量式为Li1.2Mn0.6‑xNi0.2RExO2，式中x为0～0.05，其中RE为稀土元素镧或铈，该材料为单相固溶体，平均晶粒大小为20～50nm，其特征在于包括以下步骤：（1）取硫酸锰和硝酸镍，按锰和镍摩尔比为3：1称量混合，搅拌配制水溶液；按照锰与镧或与铈摩尔比为1：（0～0.09），向含锰和镍水溶液中加入稀土元素的硝酸盐，配制成金属总浓度为0.05～0.20mol/L的混合物溶液，按照尿素与金属离子摩尔比是2：1，称量尿素，搅拌下缓慢加入上述混合物水溶液中，完全溶解后，继续搅拌10～30min，形成透明的混合溶液； （2）将步骤（1）制得的混合溶液放入有聚四氟材料内衬的不锈钢反应釜中，密封后置于150～230℃烘箱中，恒温反应6～12h，然后过滤，用去离子水和无水乙醇洗涤滤饼至洗涤液的pH值至6～7，在温度60～100℃下真空干燥滤饼6～12h，得到碳酸盐粉体，其团聚形成粒径为6～20μm的二次粒子；（3）将步骤（2）制得的碳酸盐粉体加入球磨罐中，并按碳酸盐粉体中的锰和稀土元素用量之和与碳酸锂的摩尔比为1：（1.1～1.5），向球磨罐中加入碳酸锂，以球料比为40：1加入玛瑙球，加入无水乙醇以浸没球料，然后以200～400rmp/min球磨3～6h，将球磨后的混合浆料在80～100℃下真空干燥6～12h，经研磨均匀后，置于马弗炉中，以3～10℃/min的速度升温至800～900℃，恒温5～10h，然后取出物料，置于室温环境下自然冷却，再经研磨后过500目筛子，得到富锂正极材料。...

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用富锂正极材料的制备方法，该富锂正极材料的化学计量式为Li1.2Mn0.6-xNi0.2RExO2，式中x为0～0.05，其中RE为稀土元素镧或铈，该材料为单相固溶体，平均晶粒大小为20～50nm，其特征在于包括以下步骤：（1）取硫酸锰和硝酸镍，按锰和镍摩尔比为3：1称量混合，搅拌配制水溶液，按照锰与镧或与铈摩尔比为1：（0～0.09），向含锰和镍水溶液中加入稀土元素的硝酸盐，配制成总浓度为0.07mol/L的混合物溶液，按照尿素与上述混合物溶液中全部金属离子摩尔比是2：1，称量尿素，搅拌下缓慢加入上述混合物水溶液中，完全溶解后，继续搅拌10～30min，形成透明的混合溶液；（2）将步骤（1）制得的混合溶液放入有聚四氟乙烯材料内衬的不锈钢反应釜中，密封...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明伟，谷荣敏，王成扬，于宝军，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12