[发明专利]一种高压合成锂离子电池正极材料LiMn2-xMxO4(x=0.01-0.2)的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成电池正极材料的方法，具体涉及一种高压合成锂离子电池正极材料LiMn_2-xM_xO₄(x＝0.01-0.2)的方法。

背景技术

1978年，Armand提出正负极都用能让锂离子嵌入-脱出的TiS₂组成浓差电池。这种电池在充放电过程中，是锂离子在两电极间进行嵌入脱出循环，被形象地称为“摇椅式”锂离子二次电池。但该电池电压仅0～2V，不具备锂电池高电压的特性。1980年初，发现LiCoO₂具有TiS₂同样的层状结构，同年，牛津大学Goodendugh等人提出用LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄作正极材料，开始了4V级锂离子二次电池正极活性物质的研究。由于Co价格昂贵并且有微毒且安全性欠佳。LiNiO₂合成困难，循环性能也差，安全性更不好。LiMn₂O₄价格较LiCoO₂和LiNiO₂便宜且无毒，是一种富含锂的层状化合物，该化合物既能提供充放电反应过程在正负极之间嵌入-脱出循环所需要的锂，又能提供在负级表面形成SEI膜所需要的锂，还相对金属锂有较高的嵌锂电位。LiMn₂O₄具有高工作电压、高比容量、高倍率特性、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、安全性能好等优点，是较理想的锂离子电池正极材料。此外，还可掺杂不同的过渡金属元素M(M＝Ni、Fe、Co、Al、Mo、La、Zn等)来优化性能。

由于锂离子电池正极材料的合成过程都需经过高温煅烧步骤，通常该步骤所采用的设备是传统的高温炉，如马弗炉、隧道窑。这种方法虽然工艺简单，容易大规模产业化，但也存在明显的缺点，如产品均匀性差；热效率低，能源浪费大；易耗品消耗量大，生产成本高；物料浪费多，污染大等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种高压合成锂离子电池正极材料LiMn_2-xM_xO₄(x＝0.01-0.2)的方法，本方法采用高温炉高压煅烧，可缩短反应时间，降低反应温度，得到物理、化学性质均一的高倍率、长寿命的锂离子电池正极材料。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，提供一种高压合成锂离子电池正极材料LiMn_2-xM_xO₄(x＝0.01-0.2)的方法，包括以下步骤：

(1)制备前躯物：将锰源化合物和过渡金属元素M的可溶性盐加入水中并混合，在搅拌状态下加入沉淀剂，将不溶物经过滤、洗涤、干燥得到前驱体；

(2)原料混合：将锂的氢氧化物、氧化物或盐一种或几种与前驱体相混合，移入高温炉内；

(3)高温煅烧：将高温炉内温度控制在600-850℃，向高温炉内通入气体，使炉内压力控制在1-10MPa，混合原料在高温炉内煅烧10-40小时后冷却；

(4)冷却过筛：冷却后的物料经粉碎、筛分得锂离子电池正极材料。

上述的方法，其步骤(1)中所述过渡金属元素M为Fe、Co、Al、Mo、La、Zn中的一种或几种；所述可溶性盐为氯化物、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐中的一种或几种；沉淀剂是碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、氨水中的一种或几种。

上述的的方法，其步骤(2)中所述锂的氢氧化物为氢氧化锂，氧化物为氧化锂，盐为氯化锂、磷酸锂、碳酸锂、醋酸锂、硝酸锂中的一种或几种。

上述的方法，其步骤(3)中所述气体为氮气、氩气、氧气、氢气中的一种或几种。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果和优点：

(1)采用液相沉淀法合成前驱体，可以使产品达到分子级的混合均匀，提高产品的电化学性能；

(2)掺入过渡金属M优化产品性能，起到稳定结构和增加寿命的作用；

(3)采用回转炉加热焙烧技术，提高LiMn_2-xM_xO₄(x＝0.01-0.2)产业化制备过程中物料混合的均匀性以及物料受热程度的一致性，从而提高产品物理、化学性能的一致性，改善产品质量的稳定性，并能达到降低成本、节能环保的效果；