[发明专利]一种掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种尖晶石型锰酸锂电极材料及其制备方法，特别是掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料及其制备方法，属于电池电极活性材料。

背景技术

尖晶石结构的锰酸锂电极材料，具有较高的工作电压、价格低廉、原料来源广泛、不污染环境，特别在动力电池应用领域是最具竞争力的电极材料。因此，尖晶石型锰酸锂被认为是具有良好应用前景的锂电池正极材料之一。但是，现有技术中以锰酸锂为正极材料的锂电池在存储或放电循环过程中存在明显的电容量衰减现象，阻碍了锰酸锂材料的广泛应用。造成存储或循环过程中容量衰减的原因主要包括：放电末期的Jahn-Teller畸变对材料造成的破坏、电解液在材料表面分解造成的电池内阻增加、电解液中HF杂质对LiMn₂O₄材料的腐蚀溶解等。严重的影响着尖晶石型锰酸锂正极材料的高低温循环稳定性。

CN102044671A公开了一种尖晶石型锰酸锂电极材料，其采用Al、Mg、Cr中的任意一种作为掺杂元素掺入LiMn₂O₄中，形成分子式为Li_1～1.1Mn_1.8M_0.2O₄的掺杂尖晶石型锰酸锂电极材料。但是采用该电极材料的锂离子电池的容量保持率较低，特别是在较高工作温度下的容量保持率很低，很难满足大功率锂离子电池的使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高锂离子电池容量保持率的掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料。

本发明的另一目的在于提供一种掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料所采用的技术方案是：一种掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料，该电极材料的分子式为LiMn_2-x-yM_xN_yO₄，式中M和N为掺杂元素且选自Al、Mg、Cr、Co中的任意两种，式中0＜x+y＜0.6。

本发明的掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料的制备方法采用如下步骤：一种掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料的制备方法，是由锂源化合物、锰源化合物和金属元素掺杂化合物为原料制备而成，具体包括如下步骤：

1）溶液的配置：

溶液A：将锰源化合物配制成Mn²⁺浓度为0.2～1.0mol/L的锰源化合物水溶液，按照分子式中的配比取金属元素M掺杂化合物或金属元素N掺杂化合物并溶解于锰源化合物水溶液中，得到溶液A；

溶液B：将缓冲剂配制成0.2～1.5mol/L的缓冲剂水溶液，得到溶液B；

2）前躯体制备：

将步骤1）中的溶液A和溶液B以2.0～8.0L/h的流速合并，调节体系的pH值在6.5～9.5之间，在40～60℃下保温并持续搅拌2～6h，过滤、干燥得到前躯体沉淀；

3）前躯体的处理：

将步骤2）得到的前躯体沉淀在500～650℃下保温处理4～6h；

4）前躯体的包覆：

将步骤3）处理后的前躯体加入到另一种金属元素掺杂化合物水溶液中，即金属元素N掺杂化合物水溶液或金属元素M掺杂化合物水溶液，搅拌均匀后喷雾干燥，得到包覆前躯体；

5）混料：

将步骤4）得到的包覆前躯体与锂源化合物混合，控制摩尔比Li：（Mn+M+N）=0.5～0.6：1；

6）烧结：

将步骤5）混合后的混合料在400～600℃条件下烧结4～8h，然后升温至650～900℃烧结12～24h，冷却后过300目筛，得到掺杂型尖晶石锰酸锂电极材料。

所述锰源化合物为硫酸锰、硝酸锰或乙酸锰。

所述锂源化合物为电池级碳酸锂。

所述缓冲剂为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢铵和氨水中的任意一种。

所述金属元素M掺杂化合物为硝酸铝、硝酸镁、硝酸铬、硝酸钴、乙酸钴、乙酸镁、乙酸铬、硫酸钴、硫酸铬或硫酸铝；所述金属元素N掺杂化合物为硝酸铝、硝酸镁、硝酸铬、硝酸钴、乙酸钴、乙酸镁、乙酸铬、硫酸钴、硫酸铬或硫酸铝。

步骤5）中包覆前躯体与锂源化合物在混料机中混合，所述混料机的转速为300～400r/min，混料时间为1～4h。

步骤6）升温速率为3～5℃/分钟。