[发明专利]一种锂离子电池正极材料的制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，属于能源材料领域。

技术背景

锂离子电池与传统电池相比，具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低等显著优点，因此被广泛应用作小型便携式电器电源。在材料研究方面，相对负极而言，提供锂离子电池锂源的正极材料研究较为滞后，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键因素。目前锂离子电池正极材料中，使用最广泛的是钴酸锂(LiCo O₂)，但LiCo O₂成本很高、对环境有害，而且容量也不高。因此近年来，科学家们积极探索新的可用于锂离子电池的正极材料。

2001年，T.Ohzuku发现了新的层状过渡金属氧化物Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂。这种材料具有可逆容量高、热稳定性好、成本低、对环境污染小等优点，因此该材料被认为是用于高容量高功率锂离子电池最有应用前景的正极材料之一，成为近年来的研究热点。

Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂由于复合了Ni、Co和Mn多种过渡金属元素，通过一般的方法很难合成得到高纯度的材料，而且其大电流放电能力也与合成方法紧密相关。Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂通常是通过固相反应法合成的。这种方法需要在较高温度下进行长时间反复的热处理，而且对材料的晶粒生长、组分的均一性、微观形貌和微结构都很难进行控制。

为了克服这些缺点，发明了许多基于溶液体系的合成方法，包括氢氧化物共沉淀、碳酸盐共沉淀、超声喷雾热解、溶液喷雾干燥、甘氨酸-硝酸盐热解以及溶胶凝胶法等等。但这些方法中有的合成路线较复杂，有的使用的试剂比较昂贵，而且需要大量的时间来对前驱物进行干燥。此外，由于上述制备过程中大量使用了有机酸或者氢氧化物，对生产设备具有腐蚀性，往往使这些复杂的制备方式只能局限于实验室，难以实现大规模工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提出一种浆料喷雾干燥方法制备锂离子电池正极材料Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂粉体，通过浆料喷雾干燥法，在使用较少腐蚀性试剂、较短的时间内、较低的烧结温度和较简单的工艺条件下获得粒径分布均匀，团聚少，无杂相的锂离子电池正极材料Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂粉体。具体过程如下：

(1)按Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂化学计量比称取含锂、镍、钴和锰的不溶于酒精的氧化物或盐为原料(包括碳酸锂、氧化镍、碳酸镍、四氧化三钴、碳酸钴、氧化锰、碳酸锰等)，混匀后在450-700℃加热预分解；

(2)按照30-60wt％的固含量加入适量酒精，球磨混匀后，加入质量百分比为3-10％的聚乙烯醇丁醛作为粘结剂，再球磨混匀制得稳定浆料；

(3)将浆料在喷雾干燥器中进行喷雾干燥，制得混合前驱粉。控制进口空气温度为120-180℃，出口为60-100℃；

(4)最后在800～1000℃温度下空气气氛中煅烧5-20小时，可得具有优良电化学性能的锂离子电池正极材料Li[Ni_xCo_1-2xMn_x]O₂多孔球形粉体。

对所得材料使用X射线衍射方法确定材料的组分，扫描电子显微镜被用来对粉体材料的微观形貌和粒径大小进行观察。为了表征材料的电化学性能，将得到的活性物质与乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按80∶10∶10的质量比在N-甲基吡咯烷酮(NMP)介质中制成浆料，涂布于铝箔上进行干燥制成电极膜，然后以金属锂箔为对电极组装成扣式电池，在2.5-4.5V的电压范围内，以32、80、160、320和640mA g^-1的电流密度，分别进行20次充放电循环实验。