[发明专利]一种十四面体形纳米锰酸锂电池正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种十四面体形纳米锰酸锂电池正极材料的制备方法，所述方法先通过微波加热法制备得到锰酸锂晶种，然后再用水热法制备得到纳米级的锰酸锂；该方法利用微波的快速加热效果，得到的晶种细小均匀，作为后续水热步骤的晶体生长基点，有助于得到粒径小并且尺寸均匀的产物，而在水热过程中，选用氨基酸作为沉淀剂以及软模板剂，利用其缓释作用以及特殊的位阻效应，得到十四面体结构的锰酸锂。本发明得到的十四面体形纳米锰酸锂作为锂离子电池正极材料，由于其特殊的形貌对离子扩散的影响以及对颗粒堆积的影响，提高了功率密度和电池比容量，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种用作电池正极材料的锰酸锂的制备方法，特别是涉及一种十四面体形的纳米锰酸锂电池正极材料的制备方法。

背景技术

近年来，各种电子设备飞速发展，对于电池的要求越来越高，而锂离子电池被视作最好的新型能源，大到电动汽车，小到笔记本、手机，都离不开锂电池。

锰酸锂(LiMn₂O₄)由于具有电压高、价格低廉、资源丰富、与环境友好等特点，成为最有前途的锂离子电池正极材料之一，得到广泛的研究与应用。目前，合成锰酸锂的方法主要有高温固相法、熔融浸渍法、水热合成法、溶胶凝胶法、喷雾干燥法等。其中，固相法工艺简单，但是合成反应时间长，产物均一性较差，溶胶凝胶法需要大量有机试剂，环境污染大，而喷雾干燥法等对设备要求较高。现有的制备方法中水热法是应用较为广泛的一种方法。

作为电池正极材料，锰酸锂的电化学性能与材料的制备工艺、晶体结构、晶粒尺寸和形貌等，都有较大的关系。纳米材料是近年来研究的热点，纳米正极材料具有大的比表面积，增大了材料与电解液的接触程度，小粒径也缩短了锂离子固相扩散的路径，都有利于提高材料的功率密度。另外，不同的形貌以及结晶度，也会对电化学性能带来较大的影响，规则的微粒可以减小团聚和粒子架桥现象，降低颗粒堆积填充时的粒子碱洗，进而有利于锂离子电池比容量的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种十四面体形的纳米锰酸锂，作为锂离子电池正极材料时，由于其独特的形貌而有助于提高电池的功率密度和电池比容量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种十四面体形纳米锰酸锂电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微波法制备晶种：将可溶性锂化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.05-0.07mol/L的锂离子溶液，将可溶性锰化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.05-0.07mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后再加入浓度为0.1mol/L的尿素水溶液，搅拌得到混合溶液，将上述混合溶液经微波加热，得到晶种溶液；其中，微波加热功率为5kW，频率为2450MHz，时间为2～5分钟，尿素与锂离子的摩尔比为6-8∶1；

(2)锰酸锂的制备：将可溶性锂化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.1-0.3mol/L的锂离子溶液，将可溶性锰化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.1-0.3mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后加入步骤(1)得到的晶种溶液充分搅拌，最后再加入0.2mol/L的氨基酸水溶液，放入水热反应釜中在120-150℃下水热反应2～3h，取出反应产物，过滤，洗涤，并在60℃下干燥，得到十四面体形纳米锰酸锂；

其中，步骤(1)和(2)中所述的可溶性锂化合物为硝酸锂或醋酸锂、所述的可溶性锰化合物为硝酸锰或醋酸锰；步骤(2)中所述的氨基酸溶液为L-精氨酸水溶液或L-赖氨酸水溶液，L-精氨酸或L-赖氨酸与锂离子的摩尔比为7-10∶1。

本发明公开的锰酸锂电池正极材料的制备方法，通过两步法制备得产物，其原理如下：