[发明专利]一种镍掺杂制备高性能锰酸锂正极材料的方法

说明书

本发明涉及一种镍掺杂制备高性能锰酸锂正极材料的方法。镍掺杂锰酸锂的化学式为LiMn_2‑xNi_xO₄（x=0.02‑0.15）。具体方法是制备掺杂剂分散液、制备燃料剂分散液、混合和制备产物等步骤，机械搅拌均匀后得到反应混合物浆料置于瓷坩锅中，然后在预设温度为500℃的马弗炉中，在空气气氛下燃烧反应1h，取出在空气中自然冷却，研磨后放入预设温度为700℃马弗炉中焙烧6h，取出在空气中冷却、研磨后得到LiMn_2‑xNi_xO₄（x=0.02‑0.15）正极材料。本发明采用固液水混合体系，具有机械搅拌混合时间短，反应混合物浆料不需要干燥，直接加热进行燃烧反应等优点。本发明制备工艺简单、快速、能够制备出结晶良好、晶粒细小、分布均匀和八面体形貌的镍掺杂锰酸锂正极材料，具有较高的放电比容量、良好的倍率性能和长循环稳定性，明显优于现有的LiMn₂O₄正极材料。

技术领域

本发明涉及一种高性能镍掺杂锰酸锂LiMn₂O₄正极材料及所述镍掺杂锰酸锂LiMn₂O₄正极材料的制备方法，属于锂离子电池正极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、自放电率低、无记忆效应和环境友好等优点，成为理想的绿色化学储能电源已被广泛应用于便携式电子产品、无人机以及高能量密度的电动汽车等领域。正极材料是决定锂离子电池的容量发挥的主要因素之一，尖晶石LiMn₂O₄正极材料以其锰资源丰富、价廉、无毒、安全性好、环境友好等优点被广泛关注，最有可能替代已商品化的钴酸锂正极材料。但尖晶石LiMn₂O₄正极材料存在的Jahn-Teller效应和锰溶解问题，导致在充放电循环过程中容量快速衰减，尤其是高温（≧55 ℃）性能差，阻碍其发展。针对尖晶石LiMn₂O₄容量衰减的问题，目前主要集中在包覆和元素掺杂两个方面，通过提高材料的导电性和抑制锰溶解来改善LiMn₂O₄正极材料的电化学性能。掺杂阳离子取代尖晶石结构中的Mn³⁺是抑制Jahn-Teller效应和提高材料结构稳定性最为有效的方法。常见的过渡金属元素有Mg、Fe、Zn、Al、Ni、Cu、Co等，其中，镍、氧原子结合形成的Ni-O键具有比Mn-O键更强的键能。研究表明，通过Ni掺杂替代尖晶石结构中的Mn，虽然降低了材料的初始放电比容量，但有效地提高了材料的结构稳定性，加强材料的电化学循环性能。譬如，Kebede M A等人，题目“Solution-combustion synthesized nickel-substituted spinelcathode materials (LiNi_xMn_2-xO₄; 0≤x≤0.2) for lithium ion battery: enhancingenergy storage, capacity retention, and lithium ion transport”，《Electrochimica Acta》，2014, 128: 172-177；Duncan H等人，题目“Relationshipsbetween Mn³⁺ Content, Structural Ordering, Phase Transformation, and KineticProperties in LiNi_xMn_2–xO₄ Cathode Materials”，《Chemistry of Materials》，2014, 26(18): 5374-5382；Jiang J等人，题目“Synthesis of High-Performance CyclingLiNi_xMn_2-xO₄ (x≤ 0.10) as Cathode Material for Lithium Batteries”，《Journal ofNanoscience and Nanotechnology》，2017, 17(12): 9182-9185。