[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

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及到一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子二次电池是1990年由日本索尼公司率先成功推出的新型绿色高能可充电电池，是当今国际公认的理想化学电源，具有电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽、无污染等众多优点，被广泛用于移动电话、手提电脑、便携式电动工具、武器装备等。随着锂离子电池的日益发展，具有高能量密度、高功率密度、高安全和低成本成为锂电池领域的研究热点。

作为锂离子电池关键功能材料之一，正极材料是电池中锂离子之源，其性能直接关系到电池性能，是锂电能量密度基础。目前已经商业化的正极材料比容量还没有超过200mAh/g，严重制约了新一代高性能锂离子电池的发展进程。

富锂锰基层状正极材料因其具有高比容量而引起极大关注，被认为是目前最具前景的高能量密度锂离子电池的正极候选材料。美国Argonne实验室在2004年以富锂锰基层状正极材料为主题首次公开报道：在美国专利US6677082中公开了一种xLi[Li_1/3Mn_2/3]O₂.(1-x)LiMO₂(M为过渡金属，0≦X≦1)富锂锰基固溶体材料。该类材料的化学通式为Li_1+xM_1-xO₂(M=Co，Ni，Mn等多种金属原子的组合)，结构与α-NaFeO₂层状构型相同，属于六方晶系,R-3m空间群。理论比容量大于300mAh/g，且实际比容量大于200mAh/g。中国专利CN03126255.4中公开的该类材料中首次放电比容量可达181mAh/g，首次放比电容量可达其充电比容量的90%，在该专利中材料的化学计量式锂与镍、钴、锰的原子量之比为1.1:1，而镍钴锰三种元素的原子量之比为1；中国专利CN200410101824.4中公开了该类材料的一种制备方法，专利中公开了该材料掺杂Al或掺杂金属Cr的制备方法，用于改善材料的电化学性能，但是在专利中没有见到所制备的材料的电化学性能数据；另外在中国专利CN201110111035.9中公开了一种该类材料的合成方法，并分别利用过硫酸钠和过硫酸钾对该材料进行了表面处理，处理后材料的首次放电比容量分别为242mAh/g和234mAh/g，充放电效率为82.3%和78.65%，可见经过表面处理后材料的放电容量较低，且充放电效率仍有待提高；在已公开的中国专利CN201210199500.3合成了一种化学Li[Li_0.167Ni_0.166Co_0.166Mn_0.500]O₂的该类材料，首次放电比容量小于225mAh/g，首次放电容量较低，该专利中并未说明材料的循环性能。

综上所述，富锂锰基正极材料展现了良好的应用前景，是下一代高比能锂离子电池所需关键材料之一。但对于实际应用还存在诸多问题：（1）材料首次充电中会析出氧气，材料结构发生变化，导致循环稳定性较差和较大的不可逆容量；（2）材料经过多次充放电之后，电压平台衰退严重；（3）材料的导电性能较差，不利于大电流充放电。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种性能优异的高比能锂离子电池正极材料及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种锂离子电池正极材料，其化学表达通式如下：

Li_1+XM_1-XO₂

其中，M代表镍、钴、锰三种金属元素，且该三种金属元素的比例为0.21:0.12:0.67，0.17≤X≤0.25。

所述锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1）利用共沉淀法制备过渡金属盐前躯体

将摩尔比0.21:0.12:0.67的含镍、钴、锰金属元素的分析纯硫酸盐溶于去离子水中，形成金属元素浓度为2mol/L的溶液；将前述溶液加入反应釜中，然后将沉淀剂缓缓加入反应釜中，用碱性物调节溶液pH值在7.5-7.7，进行共沉淀反应；取共沉淀反应生成的沉淀物用去离子水洗涤后干燥得到所述过渡金属盐前驱体；

2）利用固相反应法制备正极材料

按摩尔比1.4:1将锂源和所述过渡金属盐前驱体通过湿法混合均匀后高温烧结，获得该正极材料。

所述的沉淀剂为碳酸盐。

所述的碳酸盐选自碳酸钠、碳酸锂中的一种。