[发明专利]用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，特别涉及一种用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池。

背景技术

当前，人类正面临着资源估计和生存环境恶化的双重挑战。为此，世界各国正在努力研发新材料，推进低碳生活的新理念，促进人类社会由目前的高能耗、高消耗生活生产方式转向节能型、可循环的可持续发展方式。具体为大力推广清洁能源的应用，如太阳能、风能在发电领域的应用，以及使用混合动力汽车或纯电动汽车代替目前使用汽油的传统汽车。

清洁能源和新型汽的应用均离不开中大型储能电池和动力电池。在众多储能电池和动力电池中，锂离子二次电池由于具有较高的能量密度和较长的使用寿命，已经逐渐取代传统的镍氢/镍镉二次电池，其在新能源汽车、风电储能和太阳能储能等新兴领域拥有巨大发展前景。

锂离子二次电池包括正极、负极、设置在正极与负极之间的隔膜和电解液。其中，正极包括基体和涂覆在该基体上的涂覆材料，涂覆材料包括正极材料(正极活性物质)、导电材料和粘结剂。其中，正极材料是锂离子二次电池的关键原材料，由于正极材料在锂离子二次电池中占有较大的重量比，因此正极材料性能决定了电池的体型、安全性和电学性能。

当前锂电池中使用的正极材料大多为LiCoO₂，还有部分LiFePO₄、LiMn₂O₄和LiNi_1-xCo_xO₂。

钴酸锂具有较高的比容量和较好的循环特性。但是，由于钴元素在地壳中的丰度低，属稀缺金属，因此价格昂贵，由此也导致此种材料的成本较高。此外，钴元素还具有一定的毒性，由钴酸锂制备的电池废弃后，对环境的危害较大。因此，需要提供一种价格较为低廉且环保性能较好的正极材料。

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，但是也存在着合成成本较高，能量密度较低等问题。

尖晶石锰酸锂LiMn₂O₄具有安全性好、倍率特性好、价格低，环保等优点，也是目前的一种主流正极材料，但其能量密度偏低，循环性能与高温性能较差，很难满足大型动力锂离子电池和储能电池的要求。

LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有锰酸锂同样的晶体结构，因此也具有安全性高、倍率特性好的优点。更为重要的是它的工作电压为4.7V，高于LiMn₂O₄，因此具有更高的功率密度。但是也有一些不足，比如难以制备高纯度样品，高温和大电流循环特性需要改进等问题。

鉴于基于上述几点，本发明考虑选择了在正极材料中使用铁元素，由此制备出成本较低、环保性较好、纯度高以及具有良好的高温和大电流循环特性的正极材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题在于提供一种用于锂电池的正极材料及其制备方法，本发明提供的制备的正极材料成本较低、环保性较好、纯度高以及具有良好的高温和大电流循环特性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于锂电池的正极材料，尤其是，所述正极材料由通式LiNi_0.5-xFe_2xMn_1.5-xO₄表示，该通式中，0＜2x≤0.5。

优选的，在上述正极材料中，所述通式中，0.1≤2x≤0.2。

优选的，在上述正极材料中，所述通式中，2x取值0.1或0.15。

相应地，本发明还提供一种上述的正极材料的制备方法，包括如下步骤：

a)、采用液相混合法，将锰源化合物、镍源化合物和铁源化合物按比例混合均匀，得到混合溶液；

b)、对所述混合溶液进行喷雾干燥处理，得到第一混合物；

c)、将所述第一混合物进行热处理，得到镍铁锰氧化物前躯体；

d)、将所述镍铁锰氧化物前躯体和锂源化合物混合并研磨，得到第二混合物；

e)、将所述第二混合物进行热处理，得到正极材料。

优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述步骤a)中镍、铁和锰的摩尔比为0.4～0.475∶0.05～0.2∶1.4～1.475。

优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述步骤d)中镍铁锰氧化物前躯体和锂源化合物的摩尔比为0.9～1∶1～1.1。