[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池的正极材料及其制备方法，具体涉及一种5V级锂离子电池正极材料LiMn_1.5Ni_0.5O₄及其制备方法，尤其是指掺杂-锂离子超离子导体复合的LiMn_1.5Ni_0.5O₄正极材料及其制备技术。

背景技术

锂离子电池是一种充电电池，其主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小等优点，是现代高性能电池的代表，得到了广泛应用。

和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。在现有的正极材料中，LiMn_1.5Ni_0.5O₄（或者书写为LiMn_3/2Ni_1/3O₄）正极材料不仅具有成本低廉、资源丰富、无毒性等特点，而且可逆容量高（理论比容量可达147mAh/g），放电电压高（几乎只有单一的4.7V 平台），以此作为正极材料制备的锂离子电池，能量密度比尖晶石LiMn₂O₄提高30%左右，因此，LiMn_1.5Ni_0.5O₄正极材料逐渐成为了最有希望的下一代锂离子电池正极材料。

然而，在制备LiMn_1.5Ni_0.5O₄过程中，高温合成容易造成尖晶石结构中的氧缺少，材料中因此出现不应有的Mn³⁺，尤其是温度高于750℃以上时，还容易出现Ni³⁺和Li_xNi_1-xO杂质相，使得电极充放电过程中相变严重，电化学性能恶化，由此造成材料循环过程中容量衰减快，循环寿命不能达到实际的应用要求。而低温（700℃以下）可以制备化学计量比偏移小、结构稳定和循环性能优良的LiMn_1.5Ni_0.5O₄正极材料，然而材料离子导电性差，倍率充放电性能不好，无法满足动力汽车的高功率密度的要求。

为了消除高温合成LiMn_1.5Ni_0.5O₄中的Mn³⁺，许多研究者采用掺杂Mg、Al、Ti、Cr、Cu、Fe、Zn、Co、Mo等，虽然阳离子掺杂有助于稳定Mn的价态，消除材料中的Mn³⁺ 和Li_xNi_1-xO杂质相，提高晶格的稳定性，抑制John-Teller 效应，但这些阳离子掺杂通常会导致材料的比容量和倍率性能下降。

因此，研发一种锂离子电池正极材料LiMn_1.5Ni_0.5O₄，使其既具有稳定的晶体结构，又具有高的锂离子迁移速率，从而提高电极的高倍率充放电性质，以达到动力汽车的高功率密度和高能量密度的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1) 将Li源、Mn源、Ni源、掺杂元素、以及具有超离子导体属性的金属元素均匀分散在一起，制成前躯体；

所述Li源选自Li₂CO₃、LiNO₃、LiAc或LiOH中的一种或几种；

所述Mn源选自MnCO₃、Mn(NO₃)₂、Mn(Ac)₂、MnCl₂或MnSO₄中的一种或几种；