[发明专利]一种锂离子电池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电池正极材料，属于新能源材料锂离子电池正极材料制备领域。

背景技术

锂离子二次电池近年来已经大量投入广泛应用，因为他们具有高电压、充放电特性优异，而且重量轻、尺寸小，特别是人们强烈需求具有4V级高动势的锂离子二次电池。至于这样的锂离子二次电池，已知使用钴或镍与锂的复合氧化物作为正极活性材料的那些锂离子二次电池。但是钴和镍价格昂贵，易对环境造成污染，而且存在将来可能资源耗尽的问题。

锰酸锂是锰与锂的复合氧化物，由化学式LiMn₂O₄表示，并具有尖晶石型晶体结构，可以用作4V级锂离子二次电池的正极活性材料。此外，由于原料锰资源丰富且价格便宜，在日益发展的动力锂离子电池正极材料中，LiMn₂O₄电极材料具有诱人的前景。但是LiMn₂O₄电极材料存在很多缺点，例如：Jahn-Teller效应引起晶格畸变；电解液分解后产生的HF易于造成Mn³⁺溶解；在高温下(55℃以上)容易衰减严重等。为此，通常通过采用惨杂金属阳离子来取代LiMn₂O₄结构中的部分Mn离子生成尖晶石相Li_xMn_2-x-yM_yO₄(其中M＝Li、Mg、Cr、Ni、Cu、Fe等)来提高材料的结构稳定性，抑制Jahn-Teller效应，增强电极材料的循环性能等。

目前锂离子电池正极材料LiMn₂O₄的合成方法主要有：固相法、熔盐法、溶胶-凝胶法、复合碳酸盐法、乳液干澡法、喷雾干燥热解法等。有些方法虽然能够制备出电化学性能较好的LiMn₂O₄正极材料，但是存在制备工艺复杂，原材料成本较高等不利与商业化、大规模生产的因素。例如：

溶胶-凝胶法制备的材料前驱体混合均匀、凝胶热处理温度低、最终产物颗粒均匀，但是此方法工艺复杂、采用有机溶剂为螯合剂成本较高，不适合工业化生产。

熔盐方法制备的LiMn₂O₄材料，最终产物为尖晶石相，晶型结构良好，电化学性能较好，但是助溶剂氯化锂最后被冲洗掉，造成原料浪费且污染环境，不利于大批量工业生产。

复合碳酸盐法，在冲洗阴离子时会有原料损失且制样时间较长，在配锂的过程中，不能确切的计算出所需锂的化学计量，很容易产生杂质相，影响材料的电化学性能.

发明内容

本发明的目的在于克服上述各种方法不足的基础上，通过掺杂金属阳离子和优化制备工艺，提高材料的电化学性能，降低生产成本，使其尽快产业化生产。

根据本发明的第一目的，本发明提供了一种锂离子电池正极材料Li₁+xMn_2-x-yMg_yO₄，由锂源化合物、锰源化合物和镁源化合物经过以下方法制备而成：

A、将含锂源化合物、锰源化合物及镁源化合物按化学计量比Li/Mn＝0.54-0.6，Mg/Mn＝0.015-0.03混合、研磨；

B、将混合物压实后放入高温电阻炉内，在氧化性气体中以2-5℃/min的速度加热升温，650℃时保温6H后，升温至700-850℃保温16-22h，然后随炉在氧化性气氛中缓慢冷却至室温；

C、将烧结物再次研磨并进行粒度分级，过400目筛，从而得到目标锂离子电池正极材料Li₁+xMn_2-x-yMg_yO₄。

其中，所述锂源化合物选自氢氧化锂、醋酸锂及碳酸锂中的一种，锂源化合物纯度≥99.5％，锂源过量2-10％。

其中，所述锰源化合物选自氢氧化锰、醋酸锰及电解二氧化锰、化学二氧化锰中的一种。

其中，所述镁源化合物选自氢氧化镁、醋酸镁及碳酸镁中的一种。

其中，还掺入金属阳离子，其中，所述金属阳离子选自La、Cs、Y、In及Ti、AI任意一种或其混合。

本发明采取了上述方案以后，制备而成的锂电子电池正极材料，其结构更加稳定、原材料资源丰富、成本较低、安全性高、环境友好及高温下(55℃以上)循环性能好、容量衰减较小等诸多优点，可成为未来锂离子电池发展中最具前途和吸引力的正极材料。