[发明专利]一种具有尖晶石结构的高电压锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有尖晶石结构的高电压锂离子电池正极材料及其制备方 法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池因其具有比能量大、自放电小、循环寿命长、安全性能好等优 点，已被广泛应用于各种可移动电子设备和高能量设备，如智能手机、笔记本 和电动汽车等。

在众多正极材料中，LiCoO₂已成功商业化并且被广泛使用，而钴却是一种 比较贫乏且价格昂贵的资源，并且对环境产生污染。相比于LiCoO₂，尖晶石 LiMn₂O₄正极材料则具有资源丰富、成本低、无环境污染、安全性能好等优点， 被认为是最有希望代替LiCoO₂的正极材料。但是经过近几年来的研究表明，在 充放电过程中，LiMn₂O₄材料存在Jahn-Teller效应，导致其循环性能较差、比容 量衰减以及高温性能差。为克服这些缺陷，SigalaC等提出用其他金属元素部分 取代锰元素来合成LiM_xMn_2-xO₄(M＝Co，Cr，Ni，Fe，Cu等)改善尖晶石LiMn₂O₄的性能。其中，5V高电压尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄备受关注。电池的能量密度约为 电池放电电压和容量的乘积，高电压尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有约4.7V的放电 电势和约147mAh/g的理论容量，其能量密度达到686Wh/kg，具有极高的开发 潜力。

虽然高电压尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有极高的放电电势和能量密度，但是 LiNi_0.5Mn_1.5O₄在充放电过程中，其电解液在高电压下极易被氧化，在材料表面 形成固体电解质界面层，阻碍了锂离子的脱嵌，使其容量大大降低，其循环性 能变差，高温下此情况更严重。除此之外，在材料的合成制备中，其煅烧温度 高于600℃时，其容易形成如Li_xNi_1-xO和NiO等杂质，导致其电化学性能恶化。

发明内容

本发明的目的是解决现有高电压尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料首次库伦效 率低、循环性能和倍率性能差的问题，提供一种具有高性能低成本的高电压尖 晶石型锂离子电池正极材料及其制备方法，并且使用Li掺杂，形成富锂型 LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料，提高了化学性能。

本发明采用如下技术方案：一种具有尖晶石结构的高电压锂离子电池正极 材料，所述正极材料的化学通式为Li[M1_aNi_bM2_cMn_1.5]O₄，其中0.025≤a≤0.05， 0.4≤b≤0.45，0.025≤c≤0.05且a+b+c＝0.5，M1和M2为Mg、Zn、Fe、Li、 Al、Cr、Co中的一种或多种.

具有尖晶石结构的高电压锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按摩尔比将锂盐、锰盐、镍盐、M1盐、M2盐和柠檬酸在搅拌条件下 溶于去离子水中，然后调节溶液pH至中性或弱碱性；

(2)在70～90℃的条件下，对步骤(1)得到的混合溶液在搅拌速度200～ 500转/分钟的条件下进行恒温蒸发8～10小时，得到溶胶；

(3)将溶胶置于鼓风干燥箱中于80～120℃条件下干燥10～20小时，以蒸 发驱除水分，得到干凝胶；

(4)将干凝胶置于马弗炉中进行煅烧，升温速度为5℃/min，升温至500 ℃，煅烧10～28小时，得到前驱体；