[发明专利]锂离子二次电池的锰位铌掺杂型锰酸锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种锂离子二次电池的锰位铌掺杂型锰酸锂正极材料及其制备方法。

背景技术：

传统的二次电池主要有铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池等，因能量密度较低、污染坏境等问题已不能很好地符合市场的需求，锂离子电池由于综合性能好、符合社会发展需要，其应用范围将会越来越广泛。

而正极材料是锂离子电池的重要组成部分，占到锂离子电池成本的40％，也是决定锂离子电池性能的关键。目前实际应用的正极材料主要是钴酸锂(LiCoO₂)、三元材料(LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)和锰酸锂(LiMn₂O₄)。钴酸锂因钴资源缺乏价格昂贵，且热稳定性差、存在安全问题；三元材料价格也较高，且热稳定性差、电压平台低；磷酸铁锂导电性差且密度太低；传统锰酸锂虽成本低、安全性好，但容量较低、高温循环性能差。因此，需要开发或改良新型锂离子电池正极材料。

发明内容：

本发明的目的是提供一种锂离子二次电池的锰位铌掺杂型锰酸锂正极材料及其制备方法，本发明利用固相法合成对传统锰酸锂进行锰位掺杂铌元素对其改性，产品提高了锰酸锂的容量、倍率性能和高温循环性能，方法工艺简单，易于工业化生产。

本发明的目的是以如下方式实现的：该锂离子二次电池的锰位铌掺杂型锰酸锂正极材料，其名义组成式为LiMn_2-xNb_xO₄，其中，掺杂量范围0＜x＜0.2。

合成的掺杂化合物中锰位的掺杂量是一种名义组成量。

上述锂离子二次电池的锰位铌掺杂型锰酸锂正极材料的制备方法是：取锂化合物、锰化合物和铌化合物，按照元素Li、Mn、Nb的摩尔比为：Li∶[(2-x)Mn+xNb]＝1∶2称量原料，其中0＜x＜0.2；将称好的原料加入球磨容器，然后加入球磨介质和分散剂，混合球磨3～10小时，在50～100℃下烘干；烘干后粉体在550～900℃下预焙烧5-20小时，得到的半成品再用干法在球磨机中球磨2-5小时，然后在500～700℃下二次焙烧5-20小时，出炉后过300目筛即得目标产品。

所述的分散剂为去离子水、工业酒精和无水乙醇中的一种，或其中两种或三种的混合物。

球磨容器为刚玉球磨罐、玛瑙球磨罐、聚氨酯球磨罐、尼龙球磨罐中的一种。

球磨介质为氧化锆球、刚玉球、玛瑙球和不锈钢球中的一种。

锂化合物为碳酸锂、草酸锂、醋酸锂、氢氧化锂中的一种或两种及两种以上的混合物。

所述锰化合物为电解二氧化锰、化学二氧化锰、三氧化二锰中的一种，或两种或三种的混合物。

所述铌化合物为氢氧化铌、五氧化二铌、草酸铌中的一种。

本发明采用易于产业化的固相法，经过简单的球磨、烧结工艺，通过控制球磨时间及烧结温度和时间，制备出结晶性能良好、成分均匀的锰位铌掺杂型二次锂离子电池用正极材料锰酸锂粉体。与传统锰酸锂相比，本发明显著提高了其容量、循环性能、倍率性能和高温性能。同时适用于工业化生产，在常用二次锂离子电池领域具有广泛应用前景。

具体实施方式：

实施例1

按Li∶Mn∶ Nb＝1∶1.98∶0.05的摩尔比称取电池级碳酸锂(Li₂CO₃)37.04g、电解二氧化锰(MnO₂)177.4g、分析纯氧化铌(Nb₂O₅)6.6g混合后加入钢玉球磨罐中，再加100ml无水乙醇，密封后在滚筒式球磨机上以氧化锆球为球磨介质球磨10小时，出料，80℃烘干，放入马氟炉中，在800℃下预焙烧15小时，得到的半成品再用干法在聚氨酯球磨罐中球磨3小时，然后在680℃下二次焙烧10小时，出炉后过300目筛即得目标产品。测得其首次可逆比容量为120.8mAh/g，充放电300次容量保持90％以上，倍率性能：20C放电300次容量保持85％。

实施例2