一种储能设备、锂锰氧化物及其制备方法和应用技术

一种储能设备、锂锰氧化物及其制备方法和应用，属于电池领域具有锂缺陷的锂锰氧化物的制备方法包括：提供前驱体，所述前驱体含有钠锰氧化物和锂源，且所述钠锰氧化物中含锂元素；在氧化性气氛中，以选定的第一升温速率将所述前驱体加热至第一预设温度进行煅烧、随后冷却；其中，煅烧过程通过固相的熔盐反应使所述钠锰氧化物中的钠元素通过离子交换的方式被替代为来自于所述锂源中的锂元素。该锂锰氧化物能够被用于作为电池的正极材料，并提高电池的放电比容量和能量密度。池的放电比容量和能量密度。池的放电比容量和能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种储能设备、锂锰氧化物及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及电池领域，具体而言，涉及一种储能设备、锂锰氧化物及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在众多的电池储能技术中，锂离子电池以较高的能量密度、较长的循环使用寿命和对环境较低的污染等优势而备受关注。近年来，锂离子电池已经被广泛应用于各种消费类电子产品，并被作为未来大规模储能发展的关键技术。
[0003]作为锂离子电池的关键组成部分，正极材料对锂离子电池的发展起着至关重要的作用。
[0004]当前商用化的锂离子电池正极材料主要以含钴的氧化物(例如钴酸锂/LiCoO2)为主。然而，钴元素较高的成本直接限制了锂离子电池在智能电网、电动汽车等大规模储能领域的应用。
[0005]虽然以磷酸铁锂和锰酸锂为代表的正极材料具有成本优势，但是其能量密度相对较低，仍然难以满足大规模储能技术对能量密度的日益增长的需求。
[0006]因此，开发低成本且具有高能量密度的正极材料对推动锂离子电池在大规模储能领域的应用至关重要。

技术实现思路

[0007]本申请提供了一种储能设备、锂锰氧化物及其制备方法和应用，其具有大的能量密度。
[0008]本申请是这样实现的：
[0009]在第一方面，本申请的示例提供了一种具有锂缺陷的锂锰氧化物的制备方法，并且该制备方法包括：提供前驱体，前驱体含有钠锰氧化物和锂源，且钠锰氧化物中含锂元素；在氧化性气氛中，以选定的第一升温速率将前驱体加热至第一预设温度进行煅烧、随后冷却；其中，煅烧过程通过固相的熔盐反应使钠锰氧化物中的钠元素通过离子交换的方式被替代为来自于锂源中的锂元素。
[0010]其中的“锂缺陷”可以通过锂锰氧化物的化学通式Li
x
Mn
y
(TM)
z
O2中的锂的取值而体现，如x<1，或者通过锂和氧的化学计量比的比值x/2小于0.5而体现。其中TM表示不是锰的过渡金属元素。
[0011]根据本申请的一些示例，冷却方式为自然冷却或以选定的第一降温速率的受控冷却。
[0012]可选地，制备方法还包括在以选定的第一升温速率将前驱体加热至第一预设温度进行煅烧、随后冷却之后实施的下述步骤：水洗并将水的难溶物干燥。
[0013]根据本申请的一些示例，钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物制作而成；可选地，钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过
渡金属氧化物在混合状态下固相烧结而成；可选地，锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物的混合方式是粉末混合或者粉末混合且被压制为片状；可选地，锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物的混合方式是粉末混合且在2MPa
‑
20MPa的压力下被压制为片状；可选地，钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物以选定的第二升温速率加热至第二预设温度进行煅烧、随后冷却制作而成；其中，过渡金属氧化物中的过渡金属元素包括钛、锆或铌且不含锰。
[0014]根据本申请的一些示例，钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选且不含锰的过渡金属氧化物按照下述摩尔比配料：Li:Na:Mn:TM＝x:y:1
‑
x
‑
z:z；其中，0.18≤x≤0.2，0.5<y≤0.65，0≤z≤0.05，TM表示可选且不含锰的过渡金属氧化物中的非锰的过渡金属元素。
[0015]根据本申请的一些示例，锂化合物包括LiOH、Li2CO3、Li2O2或Li2O；和/或，钠化合物包括NaOH、Na2CO3、Na2O2或Na2O；和/或，锰化合物包括MnCO3、MnO2、MnOOH、MnO、MnO2；和/或，过渡金属氧化物包括TiO2、ZrO2或Nb2O5；
[0016]可选地，钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物以2℃/min至5℃/min的升温速率升温至650℃至1000℃的温度烧结而成；可选地，烧结时间为12小时至24小时；可选地，烧结后冷却。其中的冷却方式可以是自然冷却，也可以是具有选定的第二降温速率的受控冷却；其中的第二降温速率为10℃/min
‑
15℃/min。
[0017]根据本申请的一些示例，锂源包括硝酸锂和氯化锂，可选地，硝酸锂和氯化锂的摩尔比为88:12；可选地，钠锰氧化物与锂源的按照Na:Li的摩尔比为1:10的方式配料；可选地，第一升温速率为2℃/min至10℃/min，第一预设温度为250℃至350℃；可选地，以选定的第一升温速率将前驱体加热至第一预设温度进行煅烧的步骤中，在第一预设温度下煅烧时间为2小时至6小时；煅烧后可以选择在第一降温速率下进行冷却。示例的第一降温速率为10℃/min
‑
15℃/min。
[0018]在第二方面，本申请的示例提出了一种锂锰氧化物。该锂锰氧化物为第一组分或第二组分纯相；或者，锂锰氧化物是第一组分和第二组分构成的复合相；其中，第一组分具有带状超晶格结构，化学式为Li
x1
Mn
y1
O2，其中，x1，y1的取值符合电荷平衡，且0.75≤x1≤0.8，0.75≤y1≤0.8；第二组分具有带状超晶格结构且具有非锰的过渡金属元素，化学式为Li
x2
Mn
y2
(TM)
z
O2，其中，x2，y2，z的取值符合电荷平衡，且0.75≤x2≤0.8，0.75≤y2≤0.8，0<z≤0.05，TM表示过渡金属元素并通过对Li
x1
Mn
y1
O2中的Mn元素进行部分的掺杂取代而引入，且部分的Li元素通过对Li
x1
Mn
y1
O2中的Mn元素进行部分的掺杂取代而引入。
[0019]在第三方面，本申请的示例提出了一种锂锰氧化物在储能设备中的应用。
[0020]根据本申请的一些示例，储能设备包括移动设备、电动车、分布电站、后备电源或通信基站的储能设备。
[0021]根据本申请的一些示例，储能设备包括电池；可选地，储能设备为锂离子电池；可选地，储能设备为锂离子二次电池；可选地，锂锰氧化物作为锂离子电池的正极材料。
[0022]在第四方面，本申请的示例提出了一种储能设备，其包括电池，且电池的正极活性物质含有上述的锂锰氧化物。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0024]图1示出了本申请实施例2中的锂锰氧化物的X射线衍射图和带状超晶格结构高分辨原子像；
[0025]图2示出了本申请实施例2提供的锂锰氧化物正极材料在20mA/g电流密度下的放电比容量循环性能图；
[0026]图3为本专利技术实施例2提供的锂锰氧化物正极材料在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂锰氧化物的制备方法，其特征在于，所述锂锰氧化物具有锂缺陷，且所述制备方法包括：提供前驱体，所述前驱体含有钠锰氧化物和锂源，且所述钠锰氧化物中含锂元素；在氧化性气氛中，以选定的第一升温速率将所述前驱体加热至第一预设温度进行煅烧、随后冷却；其中，煅烧过程通过固相的熔盐反应使所述钠锰氧化物中的钠元素通过离子交换的方式被替代为来自于所述锂源中的锂元素。2.根据权利要求1所述的锂锰氧化物的制备方法，其特征在于，所述冷却的方式为自然冷却或以选定的第一降温速率的受控冷却；可选地，所述制备方法包括在以选定的第一升温速率将所述前驱体加热至第一预设温度进行煅烧、随后冷却之后实施的下述步骤：水洗并将水的难溶物干燥。3.根据权利要求1所述的锂锰氧化物的制备方法，其特征在于，所述钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物制作而成；可选地，所述钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物在混合状态下固相烧结而成；可选地，锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物的混合方式是粉末混合或者粉末混合且被压制为片状；可选地，锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物的混合方式是粉末混合且在2MPa
‑
20MPa的压力下被压制为片状；可选地，所述钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物以选定的第二升温速率加热至第二预设温度进行煅烧、随后冷却制作而成；其中，所述过渡金属氧化物中的过渡金属元素包括钛、锆或铌且不含锰。4.根据权利要求1或2或3所述的锂锰氧化物的制备方法，其特征在于，所述钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选且不含锰的过渡金属氧化物按照下述摩尔比配料：Li:Na:Mn:TM＝x:y:1
‑
x
‑
z:z；其中，0.18≤x≤0.2，0.5<y≤0.65，0≤z≤0.05，TM表示所述可选且不含锰的过渡金属氧化物中的非锰的过渡金属元素。5.根据权利要求4所述的锂锰氧化物的制备方法，其特征在于，所述锂化合物包括LiOH、Li2CO3、Li2O2或Li2O；和/或，钠化合物包括NaOH、Na2CO3、Na2O2或Na2O；和/或，所述锰化合物包括MnCO3、MnO2、MnOOH、MnO、MnO2；和/或，过渡金属氧化物包括TiO2、ZrO2或Nb2O5；可选地，所述钠锰氧化物由锂化合物、钠化合物、锰化合物和可选的过渡金属氧化物以2℃/min至10℃/min的升温速...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵恩岳，赵金奎，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：