[发明专利]一种正极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种正极材料及其制备方法和用途。所述制备方法包括：将锰源、镍源和锂源混合，得到混合物，然后将混合物依次进行升温、降温和降温后的保温，得到所述正极材料；其中，所述锰源包括四氧化三锰和/或二氧化锰，所述镍源包括氧化镍，所述锂源包括碳酸锂和/或氢氧化锂。本发明通过对烧结温度曲线的改变，先升温再降温保温，使得正极材料中镍锰酸锂晶型的两种空间结构可以互相转换，既可以得到部分Mn³⁺从而提高材料的导电性，又可以获得有序型尖晶石型正极材料，提高了材料的结构稳定性，进而由其制备得到的锂离子电池可以同时提高倍率性能和循环稳定性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池的技术领域，涉及一种正极材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着电池技术的发展，无论是在大型动力电池领域，还是3C小型电池领域，锂离子电池都取得了非常重要的成功应用。随着生活水平的提高，无论是哪种应用领域，都对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，同时，在激烈的竞争市场环境下，对锂离子电池除了高品质外，还需要有更低的成本。而正极材料的成本占到了电池整体成本的近40％。所以，发展高能量密度、低成本的正极材料是当前发展的趋势。近年来高电压正极材料的研究开发受到研究者越来越多的关注。在众多电极材料中，尖晶石结构的LiNi_0.5Mn_1.5O₄成为具有开发潜力的5.0V高电压正极材料。同时，镍锰酸锂材料中不含价格昂贵的钴元素，镍元素的含量很低，具有高的锂利用率，相比于高比容量的三元材料，具有更低的成本价格，其应用前景广阔。

研究发现，LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有两种空间群结构。一种是Ni统计的取代部分Mn原子，Ni占据16d位置，形成的是M(Ni、Mn)-O键。这种结构与LiMn₂O₄一样，属于Fd3m空间结构，是一种无序型的非计量比的LiNi_0.5Mn_1.5O_4-x，其中X为氧缺陷含量。另外一种是Ni有序的取代部分Mn原子，Ni占据4a位，Mn占据12d位，形成Ni-O键和Mn-O键，属于P4332空间群，是一种有序型的计量比LiNi_0.5Mn_1.5O₄。无序型尖晶石中存在高导电率的Mn³⁺，材料导电性好，但是由于Mn³⁺不稳定，易发生歧化反应生成Mn²⁺溶解在电解液中，导致材料的稳定性较差。而有序型尖晶石Mn元素理论上全部表现为+4价，从而避免了Mn³⁺的大量溶解以及Jahn-Teller效应所造成的性能衰减。但是，有序型尖晶石结构的锂扩散系数比无序尖晶石结构低1-2个数量级，材料的导电性较差，倍率性能较弱。

CN105304896A公开了一种氧化锌包覆镍锰酸锂正极材料的制备方法，方法包括：(1)将一定量碳酸锂、电解二氧化锰加入硝酸镍溶液中，充分搅拌，形成悬浮液；(2)通过喷雾干燥法将上述悬浮液，干燥成粉末；(3)将上述粉末在空气中焙烧，制备出镍锰酸锂；(4)再将前述制备的镍锰酸锂加入硝酸锌溶液中，充分搅拌，形成悬浮液；(5)通过喷雾干燥法将上述悬浮液，干燥成粉末；(6)再将粉末在空气中焙烧，最终形成氧化锌包覆镍锰酸锂正极材料。该文献中氧化物的电子导电性差，Li⁺在包覆层中的扩散能力变差，差的电子导电性和Li⁺扩散能力限制了电极材料在循环过程中的容量。