[发明专利]一种镍锰酸锂、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，涉及一种镍锰酸锂、其制备方法及用途，尤其涉及一种金属锰粉作为锰源制备镍锰酸锂的方法、制备得到的镍锰酸锂及其用途。

背景技术

随着环境和能源问题的日益严重，电动汽车引起了汽车制造企业、政府和用户的关注。对于电动汽车而言，影响其性能最关键的因素是动力电池。锂离子电池由于工作电压高、比能量高、比功率高、循环寿命长、自放电小和无记忆效应等优点，正逐步取代传统的铅酸电池、镍镉和镍氢电池，逐渐成为动力电池发展的主流。为进一步的提高电动汽车的续航能力，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。尖晶石相的镍锰酸锂LiNi_0.5Mn_1.5O₄因其高的比能量密度(理论值为690Wh/Kg)及电压平台(约4.7V)、结构稳定、循环及倍率性能好等优点，使其成为高能量密度、高功率密度型锂离子电池正极材料的研究热点之一。

目前，尖晶石相的镍锰酸锂LiNi_0.5Mn_1.5O₄合成方法主要有固相烧结法、共沉淀法和溶胶凝胶法等。固相烧结法主要包括球磨混料和高温烧制两个过程。此法的优点是工艺简单，易实现产业化，但由于原料混合均匀性差，产物颗粒尺寸不易控制，含有较多的杂相成分，且材料的比容量不高，循环性能较差。共沉淀法是通过沉淀剂首先将镍、锰的可溶性盐转化成共沉淀复合物，然后加进锂盐进行固相球磨，高温煅烧得到镍锰酸锂。共沉淀法合成镍锰酸锂只是在镍、锰起始混合阶段实现了分子水平的均匀混合，但生成的共沉淀复合物仍然要第二次与锂盐进行第二次固相混合，所以仍然存在混合均匀性的问题，较难得到高纯度的产物。溶胶-凝胶法是将可溶性的镍盐、锰盐和锂盐制备成溶胶后，分别经过凝胶固定、高温分解煅烧。此法对于合成在空气气氛下具有高稳定性的镍锰酸锂材料有很大的优势，最主要的是，可溶性的原料实现的是分子水平上的均匀混合，是原料混合的最理想状态，所合成的材料纯度高，材料的电化学性能优异。

现有制备镍锰酸锂的方法中，通常采用溶解性的锰盐例如乙酸锰、硝酸锰和氯化锰等作为锰源，这些物质作为锰源时会导致温室气体及有害气体的排放，危害人体健康并导致环境问题，且锰源的种类有限，因而有必要开发一种新的锰源来环境友好并绿色地制备高性能镍锰酸锂的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的之一在于提供一种镍锰酸锂的制备方法，尤其涉及一种以金属锰粉作为锰源制备镍锰酸锂的方法。该方法步骤简单、效率高、绿色环保且适合大规模生产，采用该方法制备得到的镍锰酸锂锂颗粒为规则的八面体，纯度高且无杂相，以本发明的镍锰酸锂作为正极制得的电池的倍率性能优异，在1C倍率下初次放电容量可达115mAh/g；在10C倍率下，初次放电容量可达111mAh/g，循环寿命长，能够满足锂离子电池实际应用的需要。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属锰粉作为锰源制备镍锰酸锂的方法，所述方法以锰粉作为锰源，先将锰粉溶解于柠檬酸的水溶液中，然后再加入锂源和镍源得到混合溶液，加热并搅拌至混合溶液蒸干，再经预分解和热处理，得到镍锰酸锂。

本发明所述方法以单质锰粉作为锰源，以柠檬酸作为氧化剂和螯合剂，利用锰粉和柠檬酸的配合作用，通过控制合理的顺序：先使锰粉完全溶解于柠檬酸的水溶液中，再加入锂源和镍源得到混合溶液，制备前驱体干凝胶，预分解，热处理，合成了高性能的镍锰酸锂。本发明提供了一种锰粉用于绿色、高效地制备高性能镍锰酸锂的方法，所述方法简单、效率高、成本低、能耗小，本发明所述方法减少制备过程中温室气体和有害气体排放，使得锂离子电池完整生命周期内更加的绿色环保；采用本发明所述方法合成的镍锰酸锂振实密度高、纯度高且无杂相，以本发明的镍锰酸锂作为正极制成的电池具有优异的倍率性能，在1C的放电倍率下，初次容量在105mAh/g以上；在10C的放电倍率下，初次容量在101mAh/g以上，循环性能优异，在10C经过600次循环后容量保持率在84％以上。

作为本发明所述方法的优选技术方案，一种锰粉作为锰源制备镍锰酸锂的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)向柠檬酸的水溶液中加入锰粉，搅拌至锰粉完全溶解，得到透明溶液；

(2)向步骤(1)得到的透明溶液中加入锂源和镍源，搅拌，得到混合溶液；

(3)将步骤(2)得到的混合溶液进行恒温搅拌，至混合溶液蒸干，得到干凝胶；

(4)将步骤(3)得到的干凝胶进行预分解，得到预分解产物；