本发明专利技术属于能源材料领域，提供一种纳米片状镍锰酸锂材料的制备方法和设备，包括步骤：1)镍和锰的可溶于水的盐配制成溶液，与络合剂反应后加入沉淀剂，反应得到镍锰化合物前驱体，焙烧得镍锰氧化物；2)镍锰氧化物和锂化合物混合，高温焙烧制备尖晶石镍锰酸锂化合物；3)通过在粒子表面包覆一层均匀的钛和/或锆的金属氧化物，表面修饰所制备的尖晶石镍锰酸锂化合物。采用本发明专利技术的方法和设备，制备的尖晶石镍锰酸锂材料具有纳米级片状微观形貌特征、结晶度高，材料表现出优异的电化学性能，电压平台为4.7V，0.1C可逆放电容量达143mAh/g。本发明专利技术提出的方法和设备工艺简单，生产效率高，制造成本低，易于工业化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源材料领域，具体涉及一种锂离子电池电极活性材料的制备方法。
技术介绍
K.Amine等和Q.Zhong等最早报道了 LiNixMn2 x04的合成及电化学性會泛(K.Amine, H.Tukamoto, H.Yasuda, Y.Fujita, Extended Abstracts 95 - 2.1n!Electrochemical Society Fall Meeting 1995,Chicago, Abstract n0.70.p.114., Q.Zhong, A.Bonakdarpour, M.Zhang, Y.Gao, J.Dahn, J.Electrochem.Soc.1997, 144, 205)，开创了 LiNia5Mnh5O4材料在锂离子电池中的应用研究。随后，Hiroo Kawa1、Yi Liu、YoungjoonShin等人先后论述了高电位材料概念、产生机理及金属3d价带与0_2p价带之间的相互作用情况。研究发现，通过镍元素掺杂尖晶石型锰酸锂，可使材料在保持尖晶石锰酸锂框架结构和电化学性能优势的基础上改变锂离子的脱嵌/嵌入电位，得到一种理论比容量为146.7mAh/g，电压平台为4.7V的尖晶石型镍猛酸锂(LiNia5Mr^5O4)锂离子电池正极材料，其重量比能量可达650Wh/kg，远远高于钴酸锂(518Wh/kg)、猛酸锂(400Wh/kg)、磷酸铁锂(495ffh/kg);更重要的是，这种镍原子的掺入从根本上改变了材料的内在电子轨道重叠情况和表面性质，使得材料的充放电倍率和循环性能大幅提高。在LiNia5Mr^5O4M料中，Ni 2+在充电过程中可以变化到Ni 4+，对应两个Li+的脱嵌，使用0.5mol的Ni2+取代量就可以使Imol LiMn 204中Mn 3+全部变成Mn 4+而不影响材料的理论比容量。镍锰酸锂材料是正在开发中的具有诱人前景的5V级锂离子电池正极材料，必将成为未来大型、长寿命、高安全锂电池产品首选正极材料。目前，镍锰酸锂材料亟待解决的关键问题包括结构稳定性、微观形貌、生产中的规模化制备问题以及应用中的高电位电解液耐受性问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足之处，本专利技术的目的是提出一种锂离子电池用纳米片状镍锰酸锂正极材料的制备方法。本专利技术的另一目的是提出所述制备方法制得的锂离子电池尖晶石镍锰酸锂正极材料。本专利技术的第三个目的是提出一种制备纳米片状镍锰酸锂正极材料的设备。为实现本专利技术上述目的的技术方案为:一种纳米片状镍锰酸锂材料的制备方法，包括步骤:I)镍和锰的可溶于水的盐配制成浓度为0.5?4mol/L的混合溶液，镍和锰的化学计量比为N1:Mn = 0.5:1.5 ;将混合溶液与络合剂一起连续加入到反应槽中；在剪切搅拌条件下连续加入沉淀剂以调节反应体系的pH在11?12范围内；所述络合剂为含氨离子的溶液，所述沉淀剂为氢氧化钠或碳酸钠溶液；控制反应温度在40?70°C，得到镍锰沉淀物，该沉淀物是制备尖晶石镍锰酸锂的前驱体；所得镍锰沉淀物在400?600°C焙烧I?5小时得到镍锰氧化物；2)镍猛氧化物和锂化合物按照摩尔比L1:Mn = I?1.2:1.5的比例混合，在富氧气氛条件下高温焙烧制备尖晶石型镍锰酸锂化合物；3)采用液相水解沉淀法表面修饰所制备的尖晶石型镍锰酸锂化合物，辅以高温焙烧，在镍锰酸锂化合物的粒子表面包覆一层均匀的金属氧化物。所述高温焙烧的温度为650?1000°C，焙烧时间为I?20小时。进一步地，所述步骤I)中镍和锰的可溶于水的盐为硫酸镍和硫酸锰；所述沉淀剂为I?8mol/L的氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液，所述络合剂为含2?8mol/L的氨离子溶液。所得镍锰氧化物具有纳米级片状微观形貌。优选地，所述步骤I)中含镍和锰的混合溶液与络合剂加入到循环体系后经过超声空化处理。更优选地，所述步骤I)的反应过程中，反应槽中的反应物在氮气驱动下循环流动，循环流动的管路具有渐缩管结构。其中，所述步骤2)中锂化合物为氢氧化锂或碳酸锂中的一种。所述高温焙烧为:先以400?600°C煅烧3小时，然后在700?1000°C下焙烧5?8小时。富氧气氛指氧气体积比多21%的气氛。所得尖晶石型镍锰酸锂化合物具有纳米级片状微观形貌，可以用典型分子式LiNia5Mnh5O4 描述。其中，所述步骤3)中液相水解沉淀法表面修饰的步骤为先在钛盐和/或锆盐的水溶液中，通过调节pH值为9?11，使该溶液中的金属离子沉淀析出到镍锰酸锂粒子表面，然后经过高温焙烧使镍锰酸锂粒子表面形成一层均匀的金属氧化物包覆层。所述金属氧化物为钛、锆的氧化物中的至少一种；其金属盐为含锆或钛的可溶于水或稀酸的盐，具体可以为硫酸锆、硫酸钛、硫酸氧钛中的一种或多种。钛盐和/或锆盐的用量以Zr原子和Ti原子的总摩尔数相对于Li原子的摩尔百分率(Zr和Ti的总摩尔数/Li的摩尔数)计，为0.05?5.0%。本专利技术提出的制备方法制备得到的5V级锂离子电池尖晶石镍锰酸锂正极材料。通过微观观察可知，所制备的经过液相水解沉淀法表面修饰的尖晶石型镍锰酸锂材料具有纳米级片状微观形貌，表面光滑，材料的晶型完整。—种制备纳米片状镍锰酸锂前驱体的设备，包括反应槽、气液混合器、超声空化器、溢流出料筒，反应槽内设置有同轴的引流筒，反应槽上部通过溢流管连接所述溢流出料筒；反应槽与所述气液混合器、超声空化器通过循环管路连接，组成反应物循环回路。进一步地，所述气液混合器具有收缩管结构，收缩管的收缩角为15?20° ;所述超声空化器的功率为O?3.2kW可调。具体地，所述反应槽为圆柱形密闭容器，反应槽内设置有同轴引流圆筒，搅拌浆放置在引流圆筒的中央；所述气液混合器与加料管连接后经超声空化器连接到反应槽底部入口 ；所述溢流出料筒与反应槽侧面的出料口连接。所述反应槽、加料管、溢流出料筒均为不锈钢材质。本专利技术的有益效果在于:本专利技术提出的方法，在制备镍锰酸锂前驱体阶段，用收缩管结构的循环管路快速分散加入物料，通过超声空化处理促进镍和锰的络合反应，同时使沉淀物不断“破碎”至更低维度，在搅拌、剪切、超声空化、循环的多重作用下，沉淀结晶反应择优取向生长，反应产物具有了纳米级片状的微观结构，且在反应槽内引流圆筒的作用下长大为类球形的颗粒；本专利技术的方法，制造的尖晶石型镍锰酸锂材料具有纳米级片状微观形貌、结晶度高，缩短了锂离子嵌入和脱嵌步骤扩散路径，表面修饰处理提高了材料的稳定性，材料表现出优异的电化学性能，电压平台为4.7V，0.1C可逆容量达143mAh/g。本专利技术提出的方法和设备工艺简单，生产效率高，制造成本低，易于工业化生产。【附图说明】图1为本专利技术制备具有纳米片状微观形貌的尖晶石镍锰酸锂正极材料的设备的结构图。图2为图1之A-A截面图。图3为实施例1所制备具有纳米片状微观形貌的尖晶石镍锰酸锂的SEM图(10000倍)。图4为实施例1所制备具有纳米片状微观形貌的尖晶石镍锰酸锂的SEM图(3000倍)。图中，I为氮气输送管，2为单向阀，3为气液混合器，4为超声空化器，5为循环管，6为循环单向控制阀，7为加料管，8为沉淀剂加料管，9为反应槽，10为引流筒，11为搅拌器，12为溢流出料筒，13为上清液和气体出口。【具体实施方式】下面本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米片状镍锰酸锂材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：1)镍和锰的可溶于水的盐配制成浓度为0.5～4mol/L的混合溶液，镍和锰的化学计量比为Ni:Mn＝0.5:1.5；将混合溶液与络合剂一起连续加入到反应槽中；在剪切搅拌条件下连续加入沉淀剂以调节反应体系的pH值在11～12范围内；所述络合剂为含氨离子的溶液，所述沉淀剂为氢氧化钠或碳酸钠溶液；控制反应温度在40～70℃，得到镍锰沉淀物，该沉淀物为制备尖晶石镍锰酸锂的前驱体，所得镍锰沉淀物在400～600℃焙烧1～5小时得到镍锰氧化物；2)镍锰氧化物和锂化合物按照摩尔比Li:Mn＝1～1.2:1.5的比例混合，在富氧气氛下高温焙烧制备尖晶石型镍锰酸锂化合物；3)采用液相水解沉淀法表面修饰所制备的尖晶石型镍锰酸锂化合物，辅以高温焙烧，在镍锰酸锂化合物的粒子表面包覆一层均匀的钛和/或锆的金属氧化物；所述高温焙烧的温度为650～1000℃，焙烧时间为1～20小时。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：叶尚云，李锡力，张平伟，
申请(专利权)人：北京圣比和科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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