[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

本发明属于电化学电池制造技术领域，涉及一种锂离子电池中使用的正极材料，具体涉及一种正极材料Li_aM_x(NiMn)_yO₂及其制备方法。 

背景技术

锂离子电池中锂离子主要来源于正极材料，正极材料直接影响锂离子电池的能量密度。各种锂离子电池正极材料中，获得广泛商业化应用的是钴酸锂，然而钴酸锂实际可用比容量为130mAh·g^-1，相对偏低，且钴资源稀缺，成本较高，这妨碍了钴酸锂大规模使用。 

考虑到成本和容量性能，镍钴锰酸锂三元正极材料已经引起广泛的关注和研究，其中LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂和LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂，也就是常说的333，424和523，已经商业化。尽管与钴酸锂正极材料相比，镍钴锰酸锂三元正极材料一定程度上降低了正极材料的成本，但依然含有钴元素。 

由于钴资源的缺乏和钴酸锂正极材料比容量限制，有必要研发比容量高、导电性能好、循环寿命长且不含钴元素的正极材料。例如，公开号为103456946A的中国专利公开了一种表达式为Li_1+zNi_xMn_yA_1-x-yO₂(0.5≤x≤0.9，0.1≤y≤0.5，0.9≤x+y≤1，0＜z≤0.1)正极材料，不含钴元素，首次放电比容量大于130mAh/g，相对偏低。 

在正极材料制备方法方面，主要有沉淀法、固相法和喷雾热解法。沉淀法由于沉淀时的不一致性使得成品中各元素比例难以精确调控，重复性较差；如果采用传统的固相法，则制备的材料颗粒粗大、成份和相均匀性差；而喷雾热解法则喷雾干燥装置组成复杂庞大，投资大，影响产品质量的因素较多。 

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于锂离子电池中的正极材料Li_aM_x(NiMn)_yO₂，本发明提供的正极材料Li_aM_x(NiMn)_yO₂成本低，不含钴元素、比容量高、电子导电性好、循环寿命长。 

本发明采用以下技术方案： 

一种锂离子电池正极材料；所述正极材料通式为Li_aM_x(NiMn)_yO₂，其中M为非稀土元素Al、Mg、Cu或稀土元素La、Ce、Pr、Pm、Sm中的至少一种元素，1.3≤a≤1.5，0≤x≤0.1，0.3≤y≤0.5；所述正极材料具有α-NaFeO₂层状结构。 

通过离子掺杂，本发明提供的正极材料电子导电性和循环寿命有效提高。离子掺杂是提高锂离子电池正极材料的循环寿命和电子导电能力的有效手段之一。例如，由于Al-O键比Ni-O键和Mn-O键有更强的键能，因此Al³⁺掺杂后的正极材料结构更稳定，循环寿命增加；再如，由于Cu²⁺特殊的外层电子构型，Cu²⁺掺杂后的正极材料电子导电性可以得到较明显的 提高；其他离子的掺杂也可以达到与上述离子相同或类似的效果。 

本发明的另一个目的是提供一种正极材料Li_aM_x(NiMn)_yO₂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

(a)室温环境下，按计量比称取硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰和待掺杂金属离子的硝酸盐，将称取的原料置于容器中，加入适量去离子水，采用液相混合方法将原料混合均匀，得到混合溶液； 

(b)将步骤(a)制得的混合溶液在一定温度下通过滚筒干燥器蒸发、干燥、热解得到氮氧化物气体和固态前驱体； 

(c)将步骤(b)所得氮氧化物气体在吸收转化塔中经适当处理转化成稀硝酸，并分别与碳酸锂或氢氧化锂、氢氧化镍、碳酸锰或氢氧化锰反应，制得硝酸锂、硝酸镍、硝酸锰，作为原料在步骤(a)中使用；