[发明专利]一种具有4.5V电压平台的锂离子电池正极材料制造方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及一种具有4.5V电压平台的锂离子电池正极材料制造技术，具体说是成份为LiNi_0.5Mn_1.5O₄的锂离子电池正极材料制备方法。

背景技术

电动汽车是我国的战略产业方向，可以有效解决石油不足、空气质量恶化、单位GDP能耗高等问题。但目前电池比能量较低，成为阻碍电动汽车实用化进展的瓶颈。铅酸电池的比能量仅为30～40Wh/Kg，镍氢电池为60～80Wh/Kg。锂离子电池中，磷酸铁锂电池可以达到110～130Wh/Kg，比能量最高的三元材料电池仅能达到210～220Wh/Kg左右的比能量。以一辆汽车需要100KWh电能计算，需要装备铅酸电池2.5吨，或镍氢电池1.25吨，或磷酸铁锂电池770Kg，或三元材料电池450Kg。从目前现状来看，即使三元电池也不能满足电动汽车的使用要求。

提高电池比能量的途径是使用具有高比能量的电池材料。目前，负极材料的改进余地不大，主要的研究和产业方向都是针对正极材料。提高正极材料比能量的方向是提高电池比容量和提高材料放电电压。

针对高电压体系的正极材料，近年来出现了放电电压高达4.7V(vs.Li/Li⁺)的尖晶石型镍锰酸锂材料LiNi_0.5Mn_1.5O₄，由于碳负极相对于锂的电极电位为0.2V，因此镍锰酸锂材料LiNi_0.5Mn_1.5O₄与碳负极组成的全电池的放电电压高达4.5V，因此LiNi_0.5Mn_1.5O₄是一种放电电压高达4.5V的正极材料。该材料具有三维锂离子通道结构，与锂组成的半电池的放电电压平台达到4.7V，可逆容量可达130mAh/g（理论容量147mAh/g），具有比其它正极材料更高的比能量。更为关键的是，LiNi_0.5Mn_1.5O₄中Mn全部是+4价，杜绝了歧化反应和Jahn-Teller效应，循环性能，尤其是高温下的循环性能和高倍率放电性能优良，可广泛应用于电动汽车领域，是高比能量动力电池首选的正极材料。

以LiNi_0.5Mn_1.5O₄为正极材料的动力电池还具有以下优势：（1）高电压意味着高比能量，以及长的巡航里程；（2）高的工作电压意味着后期电池组设计和组装工作的简化，大大降低Pack和BMS设计操作难度；（3）原料成本可控制在5万以内，是三元材料的1/3左右，电池成本较低。

目前LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料大多采用高温固相法合成，但当温度高于600℃时经常会伴随Li_xNi_1-xO或NiO杂相的产生，导致充放电过程中相变严重，电化学性能恶化。专利CN102479941A先制备镍锰氧化物前驱体，然后加入锂源化合物，避免了锂源化合物与锰源化合物、镍源化合物的直接接触，从而避免了NiO、Li_1+xNi_1-xO₂等杂相的产生，并采用氧气气氛中退火的方法补偿烧结过程中产生的氧缺陷。专利CN102774891A通过多步煅烧来控制尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料中三价锰离子的含量，从而提高材料的倍率性能和循环性能。