[发明专利]一种合成动力型、纳米纤维的三元材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成动力型LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维的三元材料及其制备方法，用该方法处理后的LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维特别适合用于锂离子动力电池正极。

背景技术

与其他化学电池相比，锂离子电池具有电压高、比容量高、寿命长、无记忆效应、自放电率低、清洁污染小等优点。在全球能源日益短缺和环境问题越来越严重的情况下，人们希望用清洁的电动汽车代替交通工具，锂离子电池就是其中高容量、大功率的理想的动力源，并受到国家推出的相应政策的大力支持。锂离子电池的迅猛发展为解决环境问题提供了新思路，而且为解决日益严重的能源危机问题提供了新的途径，其中镍钴锰三元材料作为锂离子电池的正极材料越来越受到大家的关注。

然而由于传统的制备工艺和环境的限制，镍钴锰三元材料的电化学性能的发挥仍然不能满足人们对电动汽车日益增长的动力和续航领域的要求。传统的镍钴锰三元材料的合成方法主要有固相法、共沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等。但是上述的合成方法各有其不足之处，固相法和共沉淀法会形成的团聚的二次颗粒，不利于容量发挥，而水热法和溶胶凝胶法制备工艺不利于产业化生产。而镍钴锰三元材料中钴元素主要起到抑制阳离子混排，稳定结构的作用，但是其原料价格昂贵，且带有毒性，因此急需找到可以替代钴离子的金属离子对材料进行掺杂，降低成本提高性能。

发明内容

为了克服上述现有技术中镍钴锰三元材料的容量发挥不佳与倍率性能差的不足，本发明的首要目的在于提供一种动力型LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维的制备方法。该方法利用静电纺丝法制备出LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维，颗粒大小均一，电化学反应面积大，有利于三元材料容量发挥；而纤维状的形貌为锂离子提供了相对较短的迁移路径，大大提高了锂离子的扩散速度，有利于改善材料的倍率性能。

本发明的另一个目的在于提供上述方法制备的掺杂金属元素M(Mg、Al、Cr和Ti中的一种或几种)的动力型LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维，该纤维材料相对于现有材料具有更低的阳离子混排率和更好的倍率性能。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种合成动力型LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维的制备方法，将聚乙烯吡咯烷酮的乙醇聚合物溶液和原料金属元素的混合盐水溶液进行混合搅拌制备前驱体溶液，经过静电纺丝得到一维的纳米纤维，煅烧后得到动力型LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂纳米纤维。

所述LiNi_1/3Co_1/3-xM_xMn_1/3O₂分子式中，x的取值范围为0＜x≤0.05。

所述聚合物溶液通过在无水乙醇加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌形成，其中，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量分数为9.9～12.34％。

优选地，将聚乙烯吡咯烷酮加入无水乙醇中磁力搅拌8-15h为宜(20～30℃)。

所述混合盐水溶液(在去离子水中加入锂源、镍源、钴源、锰源和掺杂金属源溶解后的混合盐水溶液)中，镍源的浓度为0.125～0.315mol/L，钴源和镁源的浓度和、镍源以及锰源的浓度三者相等，锂源的浓度为镍源、钴源、锰源和掺杂金属源的总和的1～1.1倍。

优选地，将锂源、镍源、钴源、锰源和掺杂金属源加入去离子水中超声分散10～30min使其充分溶解(20～30℃)。