一种层状-尖晶石复合相正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种层状

【技术实现步骤摘要】
一种层状
‑
尖晶石复合相正极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种层状
‑
尖晶石复合相正极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着世界经济高速增长，各国对能源的需求不断提高，传统化石能源正在加速衰减甚至面临枯竭，太阳能、风能等清洁能源得到广泛的开发利用，但是其不确定性和间歇性阻碍了它们的大规模推广应用。随着可再生能源技术的发展，以锂离子电池为代表的的新型储能装置受到高度重视。锂离子电池具有高能量密度、高电压平台、良好的循环性能和倍率性能等特点，目前正广泛应用于移动通讯工具、电动工具、储能设备等方面，在航空航天领域和军事工业领域也将大有作为。在锂离子的关键材料中，正极材料直接影响电池的循环稳定性、能量密度和生产成本。
[0003]考虑到对能源的迫切需求、大规模推广使用和安全性等问题，以Mn为过渡金属的锰系氧化物正极材料受到人们青睐。其中层状正极材料xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2(M＝Mn，Ni，Co等过渡金属元素)具有≥250mAh/g的高放电比容量，且其热稳定性好、成本较低。但是，层状正极材料依然存在倍率性能差、初始库伦效率低、容量衰减严重等问题。为提高电池的电化学稳定性，基于层状正极材料开发了层状
‑
尖晶石复合相正极材料(a[xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2]·
(1
‑
a)LiNi
0.5
Mnr/>1.5
O4)。与层状正极材料相比，引入尖晶石相复合可有效改善了电极材料在循环过程中的容量和电压衰减等问题。
[0004]层状正极材料结构的复杂性主要源于其制备方法的不同。常见的制备方法主要有两种，一是将原料混合均匀后通过高温烧结合成得到材料，如溶胶凝胶法、固相法等；二是先制备氧化物前驱体，后高温锂化得到目标产物，如共沉淀法、水热法等。以上的制备方法都能得到目标产物，但各自存在缺陷，如共沉淀法可以控制Ni、Mn等主元素的沉淀，但是无法控制其他掺杂元素均匀沉淀；固相法不容易控制粒度且所得产品性能不足；溶胶凝胶法成本过高难以大规模推广应用；水热法难以规模化生产。
[0005]Thackeray等以Li2MnO3材料将作为前驱体，将其置于硝酸溶液中经过H
+
/Li
+
交换，再加入其他金属阳离子(M
n+
)，经过高温处理实现M
n+
与H
+
的交换，将Li2MnO3部分转化，从而形成层状富锂锰基正极材料或尖晶石相正极材料。这种“离子交换”合成法可以进行多种金属阳离子的选择，实现组成可控，但是也存在以下问题：一是采用硝酸，后处理过程复杂，且存在环境污染和极大的安全风险；二是需要在酸液中进行离子交换处理，离子交换过程存在不可控性，难以实现规模产业化。

技术实现思路

[0006]为了解决上述存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种温和的、工艺简单的可规模化的层状
‑
尖晶石复合相正极材料的制备方法，无需酸性条件下复杂的离子交换过程，以Li2MnO3基氧化物为前驱体，在非酸性溶液(或介质)中，仅通过简单的混合，然后干燥
焙烧即可得到层状
‑
尖晶石复合相正极材料，具有优异的电化学性能。
[0007]为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种层状
‑
尖晶石复合相正极材料的制备方法，所述层状
‑
尖晶石复合相正极材料的分子式为a[xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2]·
(1
‑
a)LiMn2‑
y
N
y
O4，其中0﹤x﹤1，0﹤a﹤1，0≤y﹤1，M为Mn、Ni、Co、Fe、Al、Mg、Zr、Cr、Ti等中的一种或几种；N为Ni、Co、Fe、Al、Mg、Zr、Cr、Ti等中的一种或几种；具体包括如下步骤：
[0009](1)以Li2MnO3基氧化物作为前驱体，将Li2MnO3基氧化物、可溶性M盐和可溶性N盐分散于非酸性溶液中，充分混匀后干燥得到混合粉末；
[0010](2)将混合粉末焙烧即得到层状
‑
尖晶石复合相正极材料。
[0011]优选的，所述M为Mn、Ni、Co中的一种或几种；N为Ni、Co中的一种或几种。
[0012]优选的，步骤(1)中，所述Li2MnO3基氧化物为纯相Li2MnO3和Li2MnO3掺杂材料中的至少一种；Li2MnO3掺杂材料为在Li2MnO3的Li位、Mn位和O位中的至少一种进行掺杂而得到的材料，例如Li
1.8
Na
0.2
MnO3、Li2Mn
0.96
Ti
0.04
O3、Li2MnO
2.98
F
0.02
等。
[0013]本专利技术中的Li2MnO3基氧化物可采用现有常规方法制得，例如固相法、共沉淀法和水热法等，在此不再赘述。
[0014]优选的，步骤(1)中，所述可溶性M盐为M的硝酸盐、乙酸盐等可挥发性盐中的至少一种；可溶性N盐为N的硝酸盐和乙酸盐等可挥发性盐中的至少一种。
[0015]优选的，步骤(1)中，所述非酸性溶液为中性溶液、碱性溶液中的至少一种，中性溶液例如水、乙醇等，碱性溶液例如氨水等；进一步优选为中性溶液；更进一步优选为水。
[0016]优选的，步骤(2)中，焙烧温度为500
‑
950℃，焙烧时间为2
‑
24h。
[0017]本专利技术的优势在于：
[0018]不同于酸性条件下复杂的离子交换过程，本专利技术以Li2MnO3基氧化物为前驱体，意外发现在非酸性溶液中，仅通过简单的混合，然后干燥焙烧即可得到层状
‑
尖晶石复合相正极材料，且具有优异的电化学性能。本专利技术的制备工艺，特别是在纯水溶液中，具有更为温和的环境，减少了材料结构的过度破坏，绿色环保，具有良好的工业化前景。本专利技术制备的层状
‑
尖晶石复合相正极材料具有优异的电化学性能，改善了电极材料在循环过程中的容量和电压衰减。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例1、实施例2和对比例1所制备的层状
‑
尖晶石复合相正极材料的XRD图；
[0020]图2为本专利技术实施例1、实施例2和对比例1所制备的层状
‑
尖晶石复合相正极材料的扫描电镜图；
[0021]图3为本专利技术实施例1、实施例2和对比例1所制备的层状
‑
尖晶石复合相正极材料的充放电曲线图；
[0022]图4为本专利技术实施例1、实施例2和对比例1所制备的层状
‑
尖晶石复合相正极材料的循环性能图；
[0023本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状
‑
尖晶石复合相正极材料的制备方法，其特征在于：所述层状
‑
尖晶石复合相正极材料的分子式为a[xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2]
·
(1
‑
a)LiMn2‑
y
N
y
O4，其中0﹤x﹤1，0﹤a﹤1，0≤y﹤1，M为Mn、Ni、Co、Fe、Al、Mg、Zr、Cr、Ti中的一种或几种；N为Ni、Co、Fe、Al、Mg、Zr、Cr、Ti中的一种或几种；具体包括如下步骤：(1)以Li2MnO3基氧化物作为前驱体，将Li2MnO3基氧化物、可溶性M盐和可溶性N盐分散于非酸性溶液中，充分混匀后干燥得到混合粉末；(2)将混合粉末焙烧即得到层状
‑
尖晶石复合相正极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述M为Mn、Ni、Co中的一种或几种；N为Ni、Co中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秀康，刘欢，符妮，刘心怡，郭高，白艳松，舒洪波，王先友，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：