[发明专利]一种5V锂离子电池正极材料及其制备方法、一种锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于动力电池用锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法和一种锂离子电池。

背景技术

在能源制约、环境污染等大背景下，我国政府把发展新能源汽车作为解决能源及环境问题、实现可持续发展的重大举措，各汽车生产企业也将新能源汽车作为抢占未来汽车产业制高点的重要战略方向。在政府与企业的共同努力下，我国新能源汽车行业近几年展现出良好的发展势头。2016年，我国新能源汽车年产量首次突破40万辆，成为了全球最大的新能源汽车生产国(占全球总产量的40％)。

而新能源汽车的“心脏”是动力电池，其中，锂离子电池是当前最被市场看好的动力电池之一。动力锂离子电池的基本要求包括能量密度高、体积小、工作电压高、循环寿命长、温度使用范围宽、无记忆效应等。但是，目前使用的正极材料如LiCoO₂、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、LiMn₂O4、LiFePO₄等，其工作电压均小于4.0V，在大功率动力电池应用上会表现出诸多缺点。如动力电池的电压一般不低于36V，需要将多个电池串联，不仅增大了电池占用空间，且多个单体电池串联时，对单体电池充放电一致性要求大幅提高，否则将影响电池的效率和使用寿命。因此，研发具有高电压的正极材料迫在眉睫。

现有研究表明，采用过渡金属元素复合改性尖晶石LiMn₂O₄，可使其电压平台提高到4.5V以上，从而提高能量密度。其中，最常见的类型为LiNi_0.5Mn_1.5O₄，其电压平台为4.6V～4.7V，在高电压区间具有较高的比容量和较好的循环性能。但是，在复合元素的类型与复合元素的含量上仍存在很多局限，亟需进一步深化研究，开拓不同类型的系列高电压锂离子电池正极材料，并开发具有普适性的合成方法与制备工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种5V锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种5V锂离子电池正极材料的制备方法，所述锂离子电池正极材料为LiM_xMn_2-xO₄(X＝0.1或0.4，M为Co或Ni中的一种)，包括如下步骤：

(1)将金属盐、尿素和分散剂一起溶解于水中，得到混合溶液，所述金属盐为锰盐及钴盐或镍盐中的一种，所述金属盐的阴离子相同；

(2)将步骤(1)得到的混合溶液转移至水热反应釜中进行水热反应，反应完后得到的产物经洗涤、干燥后，得到碳酸盐复合前驱体；

(3)将步骤(2)得到的碳酸盐复合前驱体与锂盐混合，分两次进行煅烧，其中第二次煅烧为退火煅烧，得到的粉体材料即为所锂离子电池正极材料。

所述尿素为沉淀剂，这是由于尿素在常温下不分解，且溶解度较高，即在水热反应前，其可以与金属盐共存并形成稳定的均相溶液，在水热反应开始后，随着温度的升高，尿素开始分解成CO₃^2-和NH₄⁺，其中NH₄⁺用于调节釜内pH值，CO₃^2-用于与金属离子反应生成碳酸盐沉淀即碳酸盐复合前驱体。与现有液相共沉淀技术不同，本发明的5V锂离子电池正极材料的制备方法是通过水热法原位共沉淀技术，制备得到的碳酸盐复合前驱体中，镍或钴元素在原子层面上与主元素锰实现混排，在第一次煅烧过程中复合元素能够嵌入LiMn₂O₄晶胞中，从而制备得到纯相的具有类似LiMn₂O₄结构的尖晶石型结构的锂离子电池正极材料，避免产生杂相。分两次进行煅烧，是因为一次煅烧所得产品中仍可能产生杂相，必须采用退火二次煅烧才能确保纯相。所述锂离子电池正极材料的放电电压平台在4.6V～4.9V之间，为具有高电压性能的LiM_xMn_2-xO₄(X＝0.1或0.4,M＝Co或Ni)，制备方法简单，普适性强，产品一致性好，易于实现工业化。