[发明专利]一种复合型锰酸锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种复合型锰酸锂材料的制备方法。

背景技术

新能源行业是目前全球改善能源短缺及环境保护的一个重要发展方向。锂离子电池由于具有高的工作电压，且无记忆效应、自放电小、能量密度大和循环寿命长的优点，受到广泛的关注。目前锂离子电池主要朝高能量密度、低生产成本、高安全方向发展。

对于锂二次电池用正极活性材料，广泛使用含锂的钴氧化物(LiCoO₂)。另外，可还使用含锂的锰氧化物如具有层状晶体结构的LiMnO₂、具有尖晶石晶体结构的LiMn₂O₄等以及含锂的镍氧化物(LiNiO₂)。

目前锂离子电池正极材料LiMnO₂的合成方法主要有高温固相合成法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、Pechini法等。其中共沉淀法、溶胶一凝胶法、Pechini法等软化学法工艺复杂，不易实现产业化。因此 常规合成方法主要采用高温固相合成法。高温固相合成法操作及工艺路线设计简单，工艺参数易于控制，制备的材料性能稳定，易于实现工业化大规模生产。但常规的高温固相合成法制备LiMnO₂时，需要大量的惰性保护气体，惰性气体成本较高。

此外，目前商业化的LiMnO₂在制备时，所用的四氧化三锰主要采用草酸锰、碳酸锰煅烧方法制备，但因合成的草酸锰、碳酸锰为不规则的颗粒，烧制后，所得到的四氧化三锰也为无定形，导致合成锰酸锂时会降低振实密度，增加电池的体积，而且煅烧降低了四氧化三锰的化学活性，最终影响锰酸锂电化学活性，导致其循环性能满足不了市场需求。

表面包覆是目前改善锂离子电池正极材料不足的有效方法之一，包覆层不仅能有效抑制电解液和正极材料间的副反应，还可以抑制材料中过渡金属的溶解等，增强材料的循环稳定性以及高倍率下的循环性能等，有效改善材料的电化学性能。

发明内容

本发明提供一种复合型锰酸锂材料的制备方法，所述方法简单易操作，成本低，耗时短，使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种复合型锰酸锂材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）制备锰酸锂复合材料

该锰酸锂复合材料的化学式为LiMn_1-x-yNi_xTi_yO₂，其中：x=0.1-0.15，y=0.02-0.03；

按照上述化学式中的Li、Mn、Ni、Ti的摩尔量称取纯度大于99%的碳酸锂、纯度大于99%的四氧化三锰、纯度大于99%的氧化镍和纯度大于99%的氧化钛，将上述碳酸锂、四氧化三锰、氧化镍和氧化钛机械混合球磨成粉，在850-900℃下烧结4-5h，得到锰酸锂前驱体粉；

对前驱体粉在还原性气氛下施以等离子电弧，使反应粉料熔融，等离子电弧电压20-40kV，等离子电弧电流500-1000A；

将熔融反应粉料用还原性气体喷射入冷却装置内，冷却后对颗粒粉碎筛分，筛分得到的颗粒大小为5-10微米的球型正极锰酸锂材料；其中所述用于喷射的喷嘴直径2-5mm；

（2）制备三维花状碳材料

将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2-4)；

将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(3-5):(2-3):(2-4)；

将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(1-2):(4-5):(9-11)；

（3）复合包覆