[发明专利]一种尺寸可控的纳米晶正极材料的低温制备方法

说明书

本发明公开了一种尺寸可控的纳米晶正极材料的低温制备方法。将金属盐溶于水醇溶液中，再按比例加入短链有机溶剂及有机钠盐，搅拌均匀后，将其在一定温度下反应，得到有机金属前驱体溶液，之后取一定上述溶液，按比例加入长链有机溶剂和长链醇，通过控制不同的加热温度及时间，得到不同尺寸的金属氧化物纳米晶，最后将该其加入到在200～700℃下处于熔融状态下的混合熔盐中，便得到了不同尺寸的一元、二元及三元正极材料纳米晶。本发明制备工艺简单、操作方便、成本低廉，克服了传统高温固相法合成的缺点，且制备的材料尺寸均一可控、结晶度高，使得材料具有稳定的循环性能与倍率性能。本发明的制备方法可广泛应用于锂离子电池正极材料的合成。

技术领域

本发明具体涉及一种尺寸可控的纳米晶正极材料的低温制备方法，属于新能源材料的制备技术领域。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、质量轻、无记忆效应及绿色环保等众多优点，被广泛应用于手机、摄像机、笔记本电脑、电动汽车及国防工业等领域。其中，正极材料作为锂离子电池的核心材料，直接影响着电池的容量、寿命、成本及安全性等，因此，开发高性能正极材料对锂离子电池及相关行业的快速发展具有重要意义。

现阶段锂离子电池正极材料如层状钴酸锂(LiCoO₂)、尖晶石锰酸锂(LiMn₂O₄)、镍锰二元系[Li(Ni_xMn_y)O₂]、镍钴锰三元系[Li(Ni_xCo_yMn_z)O₂]等由于本身结构的原因，普遍存在导电性较差，锂离子在其内部扩散速率低等缺点，造成锂离子的嵌入和脱出困难。目前研究表明，通过材料纳米化可减小锂离子的扩散路径，从而有效弥补锂离子在晶体中扩散系数低的不足，进而提高锂离子电池正极材料的电化学性能。目前这些正极材料主要是通过溶胶凝胶法、共沉淀法或水热法合成的前驱体与锂盐固相混合，再经长时间的高温烧结形成晶体，其中锰酸锂、钴酸锂和层状镍钴锰氧化物类化合物的晶化烧结温度分别约为700、800、900℃。然而在高温下长时间的烧结直接导致低温合成的前驱体纳米结构的崩塌和纳米颗粒的急剧长大，引起材料晶体结构中锂离子与过渡金属离子之间的错排增加，因而降低了材料的电化学活性，尤其是降低了电化学反应过程中活性材料的有效利用率和锂离子的嵌入和脱出的效率，最终导致正极材料容量的衰减及倍率性能的降低，这大大限制了其在锂电的应用。

目前虽有部分研究小组致力于开发小尺寸的正极纳米材料，但要实现上述目标仍有很多问题亟待解决。因此，探索一种简单可行、尺寸可控的纳米晶正极材料的低温制备方法具有重要的现实意义。本发明通过采用熔盐锂化尺寸可控的多元金属氧化物能有效解决上述问题。该方法涉及1)首先合成尺寸可控的多元金属氧化物；2)再将其加入混合熔盐中，使金属氧化物在低温下实现锂化的过程。熔盐法可以在相对低温且温区较宽范围内实现高结晶度正极材料的制备。另外，熔盐介质还可以有效阻止金属氧化物纳米颗粒在锂化过程中的团聚与长大，使获得的尺寸可控且高结晶的正极纳米材料。

发明内容

本发明的目的就是提供一种尺寸可控的纳米晶正极材料的低温制备方法，该方法通过合成尺寸均一、可控且结晶度高的纳米晶材料，有效缩短离子传输距离、提高材料的导电性与离子扩散速率，以满足当前对锂离子电池正极材料的需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种尺寸可控纳米晶正极材料的低温制备方法，包括下列步骤：

(1)将5～30g的金属盐溶于一定体积的水醇溶液中，磁力搅拌30～60分钟形成澄清溶液后，加入一定体积的短链有机溶剂，然后按照一定比例加入有机钠盐，继续搅拌15～30分钟。

(2)将步骤(1)所得的溶液中，在50～90℃温度下搅拌2～8小时，待反应结束后，将该溶液冷却到室温后，倒入分液漏斗分液萃取，加入水和乙醇清洗3次后，将上层清液保存在试剂瓶中。