一种片层状无钴富锂锰基正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种片层状无钴富锂锰基正极材料，成分式为：Li

【技术实现步骤摘要】
一种片层状无钴富锂锰基正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池
，尤其涉及一种片层状无钴富锂锰基正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池同镍氢电池、铅酸电池等其他的二次电池相比，具有更高的能量密度，更长的循环寿命，较低的自放电率和环境友好等诸多优点，已经成为手机、笔记本电脑、电动工具等便携式设备的通用电源。近年来，随着全球新能源产业的快速发展，在电动自行车、电动汽车、储能等市场中也得到了广泛的应用。
[0003]当前锂离子电池采用的正极材料主要包括钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)、锰酸锂(LiMn2O4)以及镍钴锰酸锂(NCM三元)和镍钴铝酸锂(NCA三元)四大类。钴酸锂材料因为钴的价格较为昂贵，而且钴具有一定的毒性，废弃后对环境有不良影响，目前主要用在高端的手机电池以及无人机电池中；LiFePO4具有结构稳定，原料便宜，循环性和安全性较好，对环境负担较小等优点，目前在电动汽车和储能方面应用较广，但是也存在着合成成本较高，能量密度较低，低温特性差等问题；NCM三元和NCA三元材料具有克容量高，压实密度高，价格适中等优点，目前是电动汽车市场中的主流正极材料，不过高镍的三元材料成本高，电池加工难度大，电池安全性差等问题，不能完全满足市场的需求。尖晶石锰酸锂LiMn2O4具有安全性好、价格低，环保、低温特性好等优点，也是目前的一种主流正极材料，但其能量密度偏低，在充放电循环中的容量衰减较快，特别是在高温下的循环性能较差，限制了其在大型动力锂离子电池和储能电池上的应用。导致锰酸锂材料高温特性和大电流特性较差的原因有很多，比如Jahn—Teller畸变效应与高温下的锰溶解，电解液分解等等。
[0004]当前，国内新能源汽车行业发展已经到了一个关键阶段，用户对于新能源汽车的安全性、价格、寿命、耐候性与使用便利性方面都提出了更高的要求。开发更为低价、环保且高性能的正极材料的需求正变得越来越迫切。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种片层状无钴富锂锰基正极材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的富锂锰基正极材料具有较好的性能。
[0006]本专利技术提供了一种片层状无钴富锂锰基正极材料，成分式为：
[0007]Li
x
Ni
y
Mn
z
O2ꢀꢀꢀ
式I；
[0008]式I中，1.00≤x≤1.25；0.05≤y≤0.40；0.50≤z≤0.80；
[0009]所述片层状无钴富锂锰基正极材料的晶粒形貌为多孔聚集状，一次粒子为片层结构。
[0010]优选的，所述片层结构的片层厚度为50～500nm，片层长度为200～2000nm。
[0011]本专利技术提供了一种上述技术方案所述的片层状无钴富锂锰基正极材料的制备方法，包括：
[0012]将锰源和镍源进行第一混合，得到预反应混合物；
[0013]将所述预反应混合物进行煅烧，得到尖晶石结构的前驱体；
[0014]将所述尖晶石结构的前驱体和锂源进行第二混合后热处理，得到片层状无钴富锂锰基正极材料。
[0015]优选的，所述锰源选自二氧化锰、四氧化三锰、碳酸锰中的一种或几种。
[0016]优选的，所述镍源选自碱式碳酸镍、氧化镍中的一种或几种。
[0017]优选的，所述煅烧的温度为600～1000℃；所述煅烧的时间为10～24小时。
[0018]优选的，所述锂源选自碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、硝酸锂中的一种或几种。
[0019]优选的，所述热处理的温度为700～980℃；所述热处理的时间为10～24小时。
[0020]优选的，所述第一混合采用球磨的方法；
[0021]所述第二混合采用球磨机或高速混料机。
[0022]本专利技术提供了一种电池，包括：上述技术方案所述的片层状无钴富锂锰基正极材料，或上述技术方案所述的方法制备得到的片层状无钴富锂锰基正极材料。
[0023]本专利技术经研究发现，富锂锰基材料的主要特点是比容量高，最高可以超过300mAh/g，另一个优点是主元素为锰，因此价格便宜，对环境也更为友好。但是富锂锰基的容量发挥需要较宽的工作电压范围(通常为2.0～4.8伏之间)，还难以在现有行业水平下直接使用；另外一个问题是由于材料以锰元素和锂元素为主，材料的电化学活性较低，因此低温和倍率特性较差，且存在长期循环后电池平均电压下降等问题。目前富锂锰基正极材料的合成方法主要是喷雾干燥法、溶胶凝胶法或共沉淀方法，合成过程中水和电的消耗较大，还有废水处理等环保问题需要解决。因此，开发一款价格低廉，能够在较低工作电压范围内使用，具有更好的比能量和倍率特性的富锂锰基正极材料就显得尤为重要。
[0024]本专利技术提供的方法用两段固相法来代替传统的共沉淀法、喷雾干燥法和溶胶凝胶法，制备高纯度、高活性的无钴富锂锰基正极材料；制备得到的富锂锰基正极材料的晶粒形貌为多孔聚集状，且其一次粒子为片层结构；片层结构的片层厚度在50nm～500nm之间；片层长度在200nm～2000nm之间。本专利技术制备得到的富锂锰基材料适宜做正极的非水系二次电池。本专利技术提供的合成路线具有方法简单，原料易得，节能环保，易于批量生产等诸多优点。本专利技术制备的无钴富锂锰基正极材料纯度高，电化学活性高，可在目前的常用工作电压内使用，压实密度高，倍率特性优异。
附图说明
[0025]图1为实施例1制备的ZT
‑
1的XRD图；
[0026]图2为实施例1制备的ZT
‑
1的SEM图；
[0027]图3为实施例1制备的ZT
‑
3的XRD图；
[0028]图4为实施例1制备的ZT
‑
3的SEM图；
[0029]图5为实施例2制备的ZT
‑
4的SEM图；
[0030]图6为实施例3制备的LX
‑
5的SEM图；
[0031]图7为实施例3制备的LX
‑
5制备的电池在不同电压区间的首次充放电曲线；
[0032]图8为实施例3制备的LX
‑
5制备的电池在不同电压区间的不同倍率下的循环曲线。
具体实施方式
[0033]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]本专利技术提供了一种片层状无钴富锂锰基正极材料，成分式为：
[0035]Li
x
Ni
y
Mn
z
O2ꢀꢀꢀ
式I；
[0036]式I中，1.00≤x≤1.25；0.05≤y≤0.40；0.50≤z≤0.80；
[0037]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片层状无钴富锂锰基正极材料，成分式为：Li
x
Ni
y
Mn
z
O2式I；式I中，1.00≤x≤1.25；0.05≤y≤0.40；0.50≤z≤0.80；所述片层状无钴富锂锰基正极材料的晶粒形貌为多孔聚集状，一次粒子为片层结构。2.根据权利要求1所述的片层状无钴富锂锰基正极材料，其特征在于，所述片层结构的片层厚度为50～500nm，片层长度为200～2000nm。3.一种权利要求1所述的片层状无钴富锂锰基正极材料的制备方法，包括：将锰源和镍源进行第一混合，得到预反应混合物；将所述预反应混合物进行煅烧，得到尖晶石结构的前驱体；将所述尖晶石结构的前驱体和锂源进行第二混合后热处理，得到片层状无钴富锂锰基正极材料。4.根据权利要求3所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学红，刘世一，刘琦，郑莉，常秀荣，曹季坤，和明莉，王长磊，
申请(专利权)人：新乡市中天新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：