无钴无镍正极材料及其制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术涉及锂离子电池正极材料技术领域，具体而言，涉及无钴无镍正极材料及其制备方法和锂离子电池。无钴无镍正极材料的制备方法包括以下步骤：将锂源和锰源混合得到混合物料，将所述混合物料在氧气氛围下，在400

【技术实现步骤摘要】
无钴无镍正极材料及其制备方法和锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池正极材料
，具体而言，涉及无钴无镍正极材料及其制备方法和锂离子电池。

技术介绍

[0002]近年来，新能源凸显出爆发式增长趋势，人们迫切需求一种成本低、高能量密度、循环性能和安全性高的正极材料。目前市面上的正极材料LiCoO2和三元材料(NCM)均不能够同时满足以上条件。主要原因是钴元素的价格持续走高，同时钴也是一种非环境友好型元素。三元材料在充放电过程中Ni
2+
和Li
+
的混排造成其循环稳定性差。另外，高镍材料具有严重的产气问题，且低温性能较差，制约了其发展。
[0003]无钴无镍正极材料因具有安全性较好，热稳定性好，耐过充电，电压平台高(4V)，大电流充放电性能优越，高低温充放电性能良好，资源丰富，价格低廉，对环境的不良影响小等优点，是目前最有前景的动力电池材料之一，也是目前研究的热点课题。
[0004]但是，传统窑炉和箱式炉烧结制备的无钴无镍正极材料存在高低温循环稳定性能差，充放电结构不稳定的问题。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一目的在于提供一种无钴无镍正极材料的制备方法，通过采用放电等离子烧结的方式制备得到了具有层状结构的无钴无镍正极材料，放电等离子烧结具有快速烧结的特点，不仅能避免常规烧结方式所带来的不同程度的异质相，如尖晶石相等其他杂质相，还可以增加该层状正极材料的内部层间距，有助于在充放电过程中锂离子在无钴无镍正极材料中的嵌入和脱出，抑制层状结构的相变过程，从而提高正极材料的电学性能。另外，采用放电等离子烧结在颗粒表面电弧放电，能够电离表面的Li2CO3等残余碱，减少无钴无镍正极材料表面残余碱含量，提高无钴无镍正极材料的循环性能。
[0007]本专利技术的第二目的在于提供如上所述的无钴无镍正极材料，该无钴无镍正极材料具有比表面积大、晶粒细小、粒度分散均匀、电化学性能优异、首效高、能量密度高等优点，且充放电循环50圈后容量保持稳定，平均放电电压在3V以上，高低温循环稳定性能优异，充放电时结构稳定，具有更广泛的应用前景。
[0008]本专利技术的第三目的在于提供锂离子电池，具有循环稳定性好、充放电结构稳定等优点。
[0009]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0010]无钴无镍正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将锂源和锰源混合得到混合物料，将所述混合物料在氧气氛围下、在400
‑
1200℃下经过放电等离子烧结，冷却后得到无钴无镍正极材料Li
x
Mn
y
O2；其中，1.0≤x≤1.5，0.7≤y≤0.8。
[0012]本专利技术提供的无钴无镍正极材料的制备方法，通过采用放电等离子烧结的方式制备得到了具有层状结构的无钴无镍正极材料。首先，放电等离子烧结具有快速烧结的特点。在放电离子和热压的条件下，不会出现类似尖晶石相的杂质相，而是更多的转为层状结构，避免了常规烧结得到的无钴无镍正极材料会出现不同程度的异质相的问题，如尖晶石相等其他杂质相，从而提高无钴无镍正极材料的电性能。
[0013]其次，采用放电等离子烧结可以使材料的粒度更均匀，并且由于带电离子的高压反应，其在反应合成无钴无镍正极材料的过程中，金属离子排列更有序，并且锂离子的迁移速率更快，不易出现材料中锂浓度分布不均匀的情况。
[0014]此外，采用放电等离子烧结可以针对Li和Mn形成的材料增加其层状正极材料的内部层间距，有助于在充放电过程中锂离子在无钴无镍正极材料嵌入和脱出，抑制层状结构的相变过程，从而提高材料的电学性能。而现有技术中所生产的无钴无镍的正极材料，材料内部层间距一般都小于而本专利技术所制备的正极材料，内部层间距在之间，更有利于锂离子的嵌入和脱出，从而提高无钴无镍正极材料高低温循环的稳定性能，也解决了现有无钴无镍正极材料充放电结构不稳定的问题。
[0015]另外，采用放电等离子烧结时，可以在材料的颗粒表面形成电弧放电，能够电离表面的Li2CO3等残余碱，减少无钴无镍正极材料表面残余碱含量，从而提高无钴无镍正极材料的循环性能。
[0016]优选地，所述氧气氛围中的氧气的体积浓度大于99.99％，氧气流量：10～15L/min。
[0017]优选地，所述锂源包括Li2CO3、LiOH和LiNO3中的至少一种。
[0018]优选地，所述锂源的粒径D50≤10μm，例如10μm、8μm、5μm、3μm。
[0019]优选地，所述锰源包括MnCO4、Mn3O4、Mn2O5、MnO2和Mn(OH)2中的至少一种。
[0020]优选地，所述锰源的粒径D50≤10μm，例如10μm、8μm、5μm、3μm。
[0021]优选地，所述锂源以Li计，所述锰源以Mn计，Li与Mn的摩尔比为1.5
‑
2：1；包括但不限于1.55:1、1.6:1、1.65:1、1.7:1、1.75:1、1.8:1、1.85:1、1.9:1、1.95:1中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
[0022]优选地，所述放电等离子烧结的时间为8
‑
24h，包括但不限于9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
[0023]优选地，所述放电等离子烧结的压力为10
‑
50Mpa；包括但不限于12Mpa、14Mpa、15Mpa、17Mpa、20Mpa、23Mpa、25Mpa、30Mpa、35Mpa、40Mpa、42Mpa、46Mpa、48Mpa、49Mpa中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
[0024]优选地，升温至所述400
‑
1200℃的升温速率为2
‑
6℃/min，还可以选择2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.3℃/min或5.8℃/min。
[0025]优选地，所述冷却的降温速率为2
‑
10℃/min，还可以选择2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min、6℃/min、6.5℃/min、7℃/min、7.5℃/min、8℃/min、8.5℃/min、9℃/min、9.5℃/min或9.8℃/min。
[0026]优选地，所述放电等离子烧结的放电电压为200
‑
400V，还可以选择220V、250V、280V、300V、320V、340V、350V或380V。
[0027]本专利技术所提供的制备方法，可以通过控制放电电压和升温速度，调节正极材料颗粒的尺寸，使具有层状结构的无钴无镍正极材料的粒度极值控制在纳米级别范围本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无钴无镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将锂源和锰源混合得到混合物料，将所述混合物料在氧气氛围下、在400
‑
1200℃下经过放电等离子烧结，冷却后得到无钴无镍正极材料Li
x
Mn
y
O2；其中，1.0≤x≤1.5，0.7≤y≤0.8。2.根据权利要求1所述的无钴无镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源包括Li2CO3、LiOH和LiNO3中的至少一种；优选地，所述锂源的粒径D50≤10μm。3.根据权利要求1所述的无钴无镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述锰源包括MnCO4、Mn3O4、Mn2O5、MnO2和Mn(OH)2中的至少一种；优选地，所述锰源的粒径D50≤10μm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的无钴无镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源以Li计，所述锰源以Mn计，Li与Mn的摩尔比为1.5
‑
2：1。5.根据权利要求1所述的层状富锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的时间为8

【专利技术属性】
技术研发人员：郭丰，乔齐齐，王鹏飞，施泽涛，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：