[发明专利]一种锂离子电池多元正极材料制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二次锂离子电池领域，具体涉及一种高性能锂离子电池多 元正极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池是近二十年来才发展起来的一种商用电池，由于它具有能 量密度高、循环寿命长、对环境友好等特点，至今已逐步替代传统的铅酸 蓄电池、镍氢电池等，广泛地用作手机、数码相机、笔记本电脑等便携式 电子设备以及电动工具、电动汽车等的配套电源。锂离子电池主要由正极 材料、隔膜、负极材料和电解液组成，现有商业化锂离子电池之所以具有 突出的能量优势，主要得益于其负极材料(LiC₆/C)低电位和高容量的优点， 负极的低电位使正极材料的高电压得到完全发挥，同时，负极远高于正极 的容量也使正极材料的容量成为电池整体容量提高的瓶颈。因此，研发高 性能正极材料乃是目前优化锂离子电池整体性能的关键之一。

一般而言，具有可以实现锂离子可逆嵌脱的晶格结构的物质都能用作 可再充锂离子电池的正极材料，目前主要的正极材料有三类：尖晶石型的 锂盐LiM₂O₄(M＝Co、Ni、Mn等)、层状结构的锂盐LiMO₂(M＝Co、Ni、 Mn等)以及橄榄石结构的磷酸锂盐LiMPO₄(M＝Fe、Mn、Co、Ni等)。这 些材料各有优缺点，下面对几种典型的材料进行简要说明：尖晶石型的锰 酸锂(LiMn₂O₄)价格最便宜，生产工艺简单，安全性较高，适合于大型动 力电池，但是其容量较低，晶格中存在John-Teller效应，在充放电过程中易 发生结构畸变，造成容量迅速衰减，特别是在较高的使用温度下，容量衰 减的问题更加突出，致使其在实际应用中的发展空间有限；层状结构的钴 酸锂(LiCoO₂)是目前商业化应用最广泛的材料，主要用来制作各种小型 电池，其合成工艺简单，电池装备工艺最成熟，但是钴价格高昂，毒性较 大，安全性能也差，很难满足大型锂离子动力电池的需求；层状结构的镍 酸锂(LiNiO₂)容量高，大倍率性能也较好，但是在制备的过程中很容易 生成无电化学活性的立方晶系化合物，实用化的难度较大；橄榄石型的磷 酸铁锂(LiFePO₄)由于具有质量比容量高、价格低廉、无环境污染、安全 性和热稳定高等优点，已开始应用于商业锂离子电池，在混合动力汽车和 电动自行车、摩托车等领域具有巨大的应用前景，但磷酸铁锂导电性差， 目前主要采取碳包覆来提高其导电性，然而磷酸铁锂本身的振实密度就很 低，碳包覆后尤为明显(一般只能达到1.0-1.2g/cm³)，低的振实密度使其 体积比容量大为降低，从而限制了它在小型电池如手机电池等方面的应用。 新型的多元复合氧化物锂盐Li_1+δNi_xCo_yMn_zM_1-x-y-zO₂(-0.3≤δ≤0.3，0≤x、y、 z≤1，M为掺杂金属元素，具有稳定氧化物锂盐结构的作用，一般可为Al、 Cr或La)，如：LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，LiNi_1/3Mn_2/3O₂，LiNi_1/2Mn_1/2O₂， LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂等。这类正极材料因兼有LiNiO₂和 LiCoO₂的优点，且价格便宜，合成容易，被人们认为是最有可能取代LiCoO₂的新型正极材料，目前已有多种商业化产品上市。