[发明专利]一种富锂锰基层状复合氧化物正极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种富锂锰基层状复合氧化物正极材料，以及该正极材料的制备方法和用途，属于锂离子电池正极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池是一种全新的绿色化学能源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。锂离子电池电化学性能的优劣与电极材料相关，现有负极材料的比容量一般在300mAh/g以上，而正极材料的比容量仅维持在150mAh/g左右，远低于负极材料，因此正极材料的比容量提高成为锂离子电池电化学性能提升的一大瓶颈。除此之外，目前常用的氧化钴锂(LiCoO₂)、氧化镍锂(LiNiO₂)和氧化锰锂(Li_xMn₂O₄)等正极材料在锂电池循环使用中容易发生容量衰减，造成锂离子电池使用寿命的缩短。基于上述现状，制备比容量高、循环使用时容量不易衰减的正极材料已成为锂离子电池技术领域亟待解决的技术难题。

为了解决上述难题，研究者设计出了新型高容量层状嵌锂多元过渡金属复合型正极材料，如中国专利文献CN102054986B公开了一种微波法制备的超高容量锂离子电池正极材料及其制备方法，正极材料为Li_1+xNi_αCo_βMn_γM’_δO₂，其中0＜x≤0.33，0≤α＜1，0≤β＜1，0＜γ＜1，0≤δ≤0.2，α、β不同时为零，M’为Mg、Al、B、Ga、Zr、Ti、Cr、Zn或Fe中的一种或几种元素；其制备方法为将一定比例锂的氢氧化物、氧化物或盐，过渡金属M的氢氧化物、氧化物或盐与掺杂金属M’的氢氧化物、氧化物或盐以及添加剂通过机械或者化学方式混合均匀后置于空气气氛炉中，采用微波加热方式或者是微波与其他常规电阻式加热相互结合的方式进行热处理，得到所需的层状富锂锰基氧化物即为超高容量锂离子电池正极材料；M为镍、钴或锰中的一种或几种。

上述技术的层状富锂锰基氧化物可作为正极材料使用，但是上述层状富锂锰基氧化物中的锂离子不易嵌入和脱出，导致锂离子电池的充放电容量低。

而且，上述技术正极材料的晶粒大小不均匀，晶体规整度差，材料缺陷较多，充放电过程中正极材料易发生性能衰减。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是现有技术的层状富锂锰基氧化物中锂离子不易嵌入和脱出，导致锂离子电池的充放电容量低；进而提出一种锂离子容易嵌入和脱出的富锂锰基层状复合氧化物正极材料。

本发明同时所要解决的另一技术问题是现有技术层状富锂锰基氧化物正极材料的晶粒大小不均一、晶体规整度差、缺陷多，充放电过程中容易发生性能衰减；进而提出一种晶体规整、充放电过程中性能不易衰减的富锂锰基层状复合氧化物正极材料。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种富锂锰基层状复合氧化物正极材料，正极材料为Li_1+xMn_yNi_zCo_1-xxy-zO₂，其中0.1＜x≤0.3，0.33≤y≤0.6，0<z≤0.5且1-x-y-z≥0。

所述正极材料的制备方法，包括，

(1)混合可溶性锰盐、可溶性镍盐和可溶性钴盐配成盐溶液或者混合可溶性锰盐和可溶性镍盐配成盐溶液，将可溶性沉淀剂配成沉淀剂溶液，混合所述盐溶液和沉淀剂溶液进行共沉淀反应，得到共沉淀物；

(2)所述共沉淀物进行微波水热反应，反应产物经分离、洗涤和干燥，得到前驱体；

(3)将所述前驱体与锂源物质混合，在含氧气氛中焙烧即可。

所述微波水热反应的反应温度为150-220℃，反应压力为1.0-4.0MPa，反应时间为0.5-4h。

所述沉淀剂溶液的浓度为0.01-3.0mol/L，所述盐溶液中金属阳离子总量与所述沉淀剂溶液中阴离子的摩尔比为1:1。

所述前驱体为纳米片形成的微米球，所述纳米片的粒径为50-100nm、厚度为10-20nm，所述微米球的粒径为1-10um。

步骤(1)的混合方式为将所述盐溶液滴加或泵入所述沉淀剂溶液中并搅拌，或者将所述沉淀剂溶液滴加或泵入所述盐溶液中并搅拌，滴加或泵入的速度为0.005-50ml/min，搅拌速度为100-1500rpm；共沉淀反应的时间为1-24h，共沉淀反应的温度为25-60℃。

所述共沉淀反应的温度为45-55℃。