尖晶石材料的制造制造技术

一种生产锂镍锰氧化物尖晶石材料的工艺，包括将溶液维持在高温T1，直至该溶液形成胶体，其中该溶液包括溶解的锂化合物、溶解的锰化合物、溶解的镍化合物、羟基烃酸、多羟基醇，以及可选择地，另外的金属化合物，T1低于该溶液的沸点。将该胶体维持在高温，直至该胶体点燃并燃烧成L-Mn–Ni-O粉末。煅烧该Li-Mn-Ni-O粉末，以燃尽粉末中的碳和/或其他杂质，从而获得煅烧后的粉末。可选择地，对该煅烧后的粉末进行微波处理，以获得处理后的粉末。对个煅烧后的粉末或处理后的粉末进行退火，以使粉末结晶，从而获得退火后的材料。可选择地，对该退火后的材料进行微波处理。至少进行一次微波处理。锂镍锰氧化物尖晶石材料由此获得。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种尖晶石材料的制造，尤其涉及一种适合于在锂离子电化学电池中作为阴极的锂镍锰氧化物尖晶石材料的生产工艺。
技术介绍
锂离子电池被视为下一代的储能装置，用于例如混合动力汽车、笔记本电脑和手机等多种日常应用中。一种特殊的锂镍锰氧化物尖晶石材料，LiMn1.5Ni0.5O4，由于其高工作电压(约4.8V)及其高固有倍率性能，作为锂离子电化学电池的阴极材料，受到了主流研究的关注。尽管LiMn1.5Ni0.5O4有很多优点，但在高效率的使用中仍遇到很多障碍。例如，由于LiyNi1-yO(一种杂质)为第二相，会对电化学性能产生负面影响，故人工合成纯净的、化学计量的LiMn1.5Ni0.5O4十分困难。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种改进的工艺以生产或合成LiMn1.5Ni0.5O4，并提高LiMn1.5Ni0.5O4的电化学性能。一种生产锂镍锰氧化物尖晶石材料的工艺，包括以下步骤：将溶液维持在高温T1，直至该溶液形成胶体，其中该溶液包括溶解的锂化合物、溶解的锰化合物、溶解的镍化合物、羟基烃酸、多羟基醇以及，可选择地，另外的金属化合物，T1低于该溶液的沸点；将该胶体维持在高温，直至该胶体点燃并燃烧成Li-Mn-Ni-O粉末；煅烧该Li-Mn-Ni-O粉末，以燃尽该粉末中的碳和/或其他杂质，从而获得煅烧后的粉末；可选择地，对该煅烧后的粉末进行微波处理，以获得处理后的粉末；r>对该煅烧后的粉末或该处理后的粉末进行退火，以使该粉末结晶，从而获得退火后的材料；以及可选择地，对个退火后的材料进行微波处理，其中，该工艺中至少进行过一次微波处理，从而获得锂镍锰氧化物尖晶石材料。因此，在煅烧后的材料经过微波处理，且退火后的材料没有经过微波处理时，退火后的材料就是本工艺的产品锂镍锰氧化物尖晶石材料。然而，在煅烧后的材料没有经过微波处理时，则退火后的材料将被微波处理，因而微波处理后的材料就是本工艺的产品锂镍锰氧化物尖晶石材料。自然地，如果期望，对煅烧后的材料的微波处理和对退火后的材料的微波处理可以二者都采用。在本专利技术的一个实施例中，锂镍锰氧化物尖晶石材料可以是无掺杂的。则该锂镍锰氧化物尖晶石材料，尤其是LiMn1.5Ni0.5O4，如前所述，特别适合用作锂离子电池或电池组的阴极材料。然而，在本专利技术的另一个实施例中，锂镍锰氧化物尖晶石材料也可以是有掺杂的。这种掺杂的作用是控制最后的晶格结构中的Mn3+的数量或者无序度，如下文所述，其主要目的是改善尖晶石材料的其他特性，例如循环稳定性。锂镍锰氧化物尖晶石材料可以是规则的，即不会氧缺位。然而，相反的，本专利技术的工艺生产的尖晶石材料可以是不规则的或氧缺位的。例如，该锂镍锰氧化物尖晶石材料可能是LiMn1.5Ni0.5O4-δXδ，其中δ<1，且X是例如氟化物的阴离子。这种化合物有掺杂且不规则。该工艺可以包括形成锂化合物、锰化合物、镍化合物、羟基烃酸和多羟基醇的溶液。则该溶液的配方可以包括混合溶解于溶剂中的锂化合物的溶液、溶解于溶剂中的锰化合物溶液、溶解于固体的镍化合物的溶液、羟基烃酸和多羟基醇。而锂化合物、锰化合物和镍化合物最初均可以是溶解于单独的溶液的形式，优选地，它们全都溶解在同样的溶剂中，从而使单一溶液含有溶解的锂、锰和镍的化合物，然后再与羟基烃酸和多羟基醇混合。优选地，该锂、锰和镍的化合物为水溶性的，从而使水，最好是去离子水，可以用作溶液的溶剂。因此，特别地，可以使用锂、锰和镍的硝酸盐，即可以使用LiNO3、Mn(NO3)2(特别是Mn(NO3)2.4H2O)和Ni(NO3)2(特别是Ni(NO3)2.6H2O)。该溶液因此可能包括必要的化学计量数量的LiNO3、Mn(NO3)2.4H2O和Ni(NO3)2.6H2O，以获取最终产品LiMn1.5Ni0.5O4。另外的金属化合物，如果存在，将被选择以用于改善合成的尖晶石材料的稳定性。因此，例如，该另外的金属化合物可能是铝或锆的化合物。这种另外的金属化合物因此也是水溶性的，且可能是该金属的硝酸盐。该金属化合物，即锂、锰、镍和另外的金属的化合物，也可以是任何除硝酸盐之外的其他金属盐(提取自弱酸和强酸，如硫酸盐、碳酸盐、卤化物和乙酸酯)。羟基烃酸作为还原剂，可以是柠檬酸。多羟基醇可以是乙二醇或聚乙二醇。柠檬酸和乙二醇能以适当的摩尔比置于溶液中，例如，柠檬酸和乙二醇的摩尔比约为1:4。该柠檬酸最初是水，特别是去离子水的溶液的形式。该工艺可以包括先将柠檬酸溶液和乙二醇的混合物一边搅拌一边加热到温度T1，然后，可以将锂、锰和镍硝酸盐缓慢地，例如逐滴地加入到柠檬酸/乙二醇溶液中。如前所述，T1低于溶液的沸点，该溶液包含用于锂、锰和镍化合物的溶剂；溶解的锂、锰和镍化合物；羟基烃酸和多羟基醇。T1低于溶液的沸点十分重要，能够避免溶剂和溶液的其他化合物过早蒸发，即在胶体形成反应(聚合物凝胶形成)完成之前避免这种蒸发。其中如前所述，溶剂为水，且90℃≤T1<100℃。优选地，T1约为90℃。胶体维持在高温，该高温可以为T2，其中90℃≤T2<100℃。优选地，T2与T1相等。亦即，优选地，该溶液维持在T1直到胶体形成完毕或已形成足够胶体，则该胶体继而维持在T1直到胶体燃烧，并烧成Li-Mn-Ni-O粉末。溶液必须维持于T1的时间为t1，以完成溶液的胶体形成和液体化合物蒸发，而胶体必须维持直到燃烧的时间基于溶液的量、T1等等因素，但通常是至少30分钟。为了形成Li-Mn-Ni-O粉末，采用一种一步粉末成型方法及Pechini改良方法。Li-Mn-Ni-O粉末的煅烧可以在温度T3下进行。故T3将足够高，以使碳和/或粉末中的其他杂质燃尽。故而煅烧在非还原性气体，优选地，氧化性气体中进行。因此，T3可以低至300℃至500℃。但更优选的是400℃≤T3<600℃；通常，T3约为500℃。煅烧可以继续一段时间t2，故t2足够长，以实现将碳和/或其他杂质燃烧到期望的程度，且t2也可以基于粉末的量、T3等等因素。因此，优选地，t2<12小时；通常，t2可以约为6小时。煅烧后或处理后的粉末的退火可以在温度T4下进行。故T4将足够高以使粉末结晶。因此，优选地，700℃≤T4≤900℃。通常，T4约为700℃或800℃。退火可以进行一段时间t3，故t3足够长以达到理想的退火程度，即达到理想的粉末结晶程度。通常，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产锂镍锰氧化物尖晶石材料的工艺，包括以下步骤：将溶液维持在高温T1，直至所述溶液形成胶体，其中所述溶液包括溶解的锂化合物、溶解的锰化合物、溶解的镍化合物、羟基烃酸、多羟基醇以及，可选择地，另外的金属化合物，T1低于所述溶液的沸点；将所述胶体维持在高温，直至所述胶体点燃并燃烧成Li‑Mn‑Ni‑O粉末；煅烧所述Li‑Mn‑Ni‑O粉末，以燃尽所述粉末中的碳和/或其他杂质，从而获得煅烧后的粉末；可选择地，对所述煅烧后的粉末进行微波处理，以获得处理后的粉末；对所述煅烧后的粉末或所述处理后的粉末进行退火，以使所述粉末结晶，从而获得退火后的材料；以及可选择地，对所述退火后的材料进行微波处理，其中，至少进行一次微波处理，从而获得锂镍锰氧化物尖晶石材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.10 ZA 2012/060161.一种生产锂镍锰氧化物尖晶石材料的工艺，包括以下步骤：
将溶液维持在高温T1，直至所述溶液形成胶体，其中所述溶液包括溶
解的锂化合物、溶解的锰化合物、溶解的镍化合物、羟基烃酸、多羟基醇以及，
可选择地，另外的金属化合物，T1低于所述溶液的沸点；
将所述胶体维持在高温，直至所述胶体点燃并燃烧成Li-Mn-Ni-O粉末；
煅烧所述Li-Mn-Ni-O粉末，以燃尽所述粉末中的碳和/或其他杂质，从
而获得煅烧后的粉末；
可选择地，对所述煅烧后的粉末进行微波处理，以获得处理后的粉末；
对所述煅烧后的粉末或所述处理后的粉末进行退火，以使所述粉末结
晶，从而获得退火后的材料；以及
可选择地，对所述退火后的材料进行微波处理，其中，至少进行一次
微波处理，从而获得锂镍锰氧化物尖晶石材料。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述溶液包括作为所述锂化
合物、所述锰化合物和所述镍化合物的溶剂的水，故所述锂化合物、所述锰化
合物和所述镍化合物为水溶性盐，且90℃≤T1<100℃。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于：T1约为90℃。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的工艺，其特征在于：所述胶体维持
于高温T2，其中90℃≤T2<100℃。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：T2约为90℃。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的工艺，其特征在于：煅烧所述
Li...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·I·奥策梅纳，C·J·贾夫塔，
申请(专利权)人：CSIR公司，
类型：发明
国别省市：南非;ZA