[发明专利]一种制备高功率性能锂离子电池正极材料LiMn2O4的新型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能锂离子电池正极活性材料的新型制备方法。特别是具有微米级球形孔洞结构和高倍率性能的锰酸锂的制备。

背景技术

能源的储存与转化在充分利用地球资源，改善人类现有及未来的生存环境等方面起着重要的作用。作为能源的储存与转化的一种重要方式─化学电源在人们日常生活生产中已得到广泛的应用。随着科学技术发展，人们生活环境质量的要求愈来愈高，电动汽车因其使用时“零排放”的优点，社会对它的需求日趋迫切。锂离子电池由于电压高、容量高、体积小、重量轻、无记忆效应等独特性能，又具有循环寿命长、安全性能好的特点，在3 C(portable computer, communication and consumer electronics)市场、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益，因此，锂离子电池是近年关注和研究的热点。然而，电池的最终性能与电极材料的性能密切相关，电池的进步在很大程度上取决于电池材料的进展。因此，低成本制备出高能量密度、高功率密度、高安全性、特别是对环境无污染的绿色电池材料是当今和未来一段时间内研究的重点。

正极材料是决定锂离子电池性能的关键因素，因此对正极活性材料的研发是锂离子电池材料研究的一个重要部分。目前人们对正极活性材料的研究工作主要集中在层状LiCoO₂、LiNiO₂、LiFePO₄和尖晶石LiMn₂O₄ 上。LiCoO₂缺点是实际比容量仅为理论容量的50%左右,钴的利用率低, 抗过充电性能差, 在较高充电电压下比容量迅速降低。另外, 再加上钴资源匮乏, 价格高的因素, 因此, 在很大程度上减少了钴系锂离子电池的使用范围, 尤其是在电动汽车和大型储备电源方面受到限制；对于LiNiO₂的合成来说,烧结温度和烧结气氛是合成中易形成非化学计量比的Li_1─xNi_1+xO₂,释放的氧气可能与电解液反应, 引起安全问题；LiFePO₄主要缺点是导电性差，振实密度较低，不耐低温。与层状LiCoO₂、LiNiO₂相比，尖晶石LiMn₂O₄虽然理论比容量为148 mAh/g，但具有的两个放电平台分别在3.95和4.15 V，相对较高且稳定。同时，锰(Mn)储量丰富,尤其是我国的锰资源占世界各国之首。因此开发LiMn₂O₄电极材料,可大大降低电池成本。LiMn₂O₄具有稳定的三维尖晶石结构, 其中80%以上的锂可以允许脱嵌出来,也不会引起结构塌陷;从安全的角度来讲, 用LiMn₂O₄正极制成的锂离子电池耐过充放电性能更好, 甚至无需保护电路。因此，它被认为是一种很有应用前景的正极活性材料。锰酸锂作为正极材料存在的主要问题是循环过程中容量的衰减如Mn的分解，Jahn─Teller效应及电解液的分解, 结构的变化，导致该材料倍率性能较差，限制了其应用。材料的制备方法及形貌对材料的性能有着很大的影响，因此开发新颖合成方法并系统研究新型合成方法对材料的相关性能的影响很有必要。基于以上事实以及LiMn₂O₄材料的潜在应用，本发明公开了一种高比容量、高倍率性能和循环性能、价格低廉、环境友好、结构稳定及安全性能好的多孔微米级球形动力电池用LiMn₂O₄正极材料的新型制备方法。