[发明专利]一种快速合成锂离子电池多元层状正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成锂离子电池正极材料的方法，特别是快速合成多元层状正极材料的方法。

背景技术

钴酸锂由于具有容易合成、性能稳定和容量较高等优点，是商业锂离子电池最先使用和使用最多的正极材料。但其合成所需要的钴存在资源匮乏、价格昂贵、毒性较大等缺点，开发无钴或少钴的新型正极材料成为锂离子电池正极材料的重要发展方向之一。

多元层状正极材料如LiNi_1/2Mn_1/2O₂、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂和xLi₂MnO₃-(1-x)LiMO₂（M为Ni、Co、Mn中的一种或多种）等，由于放电比容量较高、成本较低受到人们的广泛关注，其中三元正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂已有商业化应用，其产量逐年上升有望超过钴酸锂。近几年来，富锂层状正极材料xLi₂MnO₃-(1-x)LiMO₂（M为Ni、Co、Mn中的一种或多种）因具有比容量高、循环性能好等优点而成为研究的热点。

合成锂离子电池多元层状正极材料的方法可以分为固相合成法和液相合成法。固相合成法由于操作简单、对设备的要求低，容易实现工业化生产。但固相合成法，一般是通过长时间的球磨来混合原料，无法使原料达到分子水平的均匀混合。混合后的原料需要在高温下进行十几小时甚至数十小时的恒温煅烧，生产周期长、能耗大。合成的正极材料颗粒不规则且容易出现杂相，难以得到单相的多元层状正极材料。液相合成法主要包括：溶胶-凝胶法、共沉淀法、喷雾干燥法、水热法等。液相合成法虽然能够实现原料在分子水平上的均匀混合且合成温度较低，但其合成工艺复杂，操作过程难以准确控制，产量低，设备复杂，很难实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、容易控制、合成时间短，能快速合成锂离子电池多元层状正极材料的方法。

具体步骤为：

（1）以乙酸锂为锂源，以熔点<200℃的Ni、Co、Mn、Fe和Cr的硝酸盐或/和乙酸盐为过渡金属源，按目标产物的化学计量比准确称量原料，装入刚玉坩埚中（目标产物为层状结构的多元正极材料LiMO₂，M为Ni、Co、Mn、Fe和Cr等过渡金属元素中的两种或多种）。

（2）将装有步骤（1）配备的原料的坩埚在电炉或水浴中加热，使原料熔化形成均匀的液体。

（3）将装有步骤（2）所得液体的坩埚移入加热到400-600℃并恒温的电炉中，使之发生燃烧反应。

（4）将步骤（3）所得反应产物收集、研磨、过100目筛，用压片机将其压成圆片。

（5）将步骤（4）所得圆片置于微波炉中在600-1000℃保温5-200分钟，然后随炉冷却。

（6）将步骤（5）所得圆片取出、研磨并过300目筛，得到具有良好层状结构和电化学性能的锂离子电池多元层状正极材料。

本发明具有如下的优点：Li、Ni、Co、Mn、Cr和Fe的乙酸盐和硝酸盐的熔点较低，在水浴或电炉上加热即可转变成液态；在液体状态下，金属离子能达到原子水平的均匀混合；上述熔盐混合物在较低的温度下会发生燃烧反应，所产生的热量可为原料的分解和正极材料的合成反应提供能量；采用微波加热燃烧反应产物，升温迅速且均匀，不仅能避免晶粒异常长大，改善材料性能，还能大大缩短合成时间，大幅降低能耗；合成出的锂离子电池正极材料具有良好的层状结构和电化学性能。

附图说明

图1是本发明实施例1和实施例2合成的二元层状正极材料LiNi_1/2Mn_1/2O₂和三元层状正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的X射线衍射图。

图2是本发明实施例1合成的二元层状正极材料LiNi_1/2Mn_1/2O₂不同倍率的首次充放电曲线图。