[发明专利]一种微米级棒状锰酸锂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种微米级棒状锰酸锂及其制备方法和应用。该微米级棒状锰酸锂是由基本粒子堆积而成，所述基本粒子为锰酸锂八面体纳米晶，所述棒状锰酸锂的直径和长度均为微米级，棒状锰酸锂上基本粒子的晶粒暴露面为{111}晶面族。本发明提供的微米级棒状锰酸锂，基本粒子的晶粒外露面为{111}晶面族，这种结构有利于锂离子的扩散，有益于提高材料容量和倍率；同时，外露的{111}晶面原子稳定，可减少Mn在电解液中的溶解，减少了电解液与晶粒的副反应，从而提高循环性能。众多八面体纳米基本粒子堆积而成的微米级棒状锰酸锂，基本粒子间连接紧密、致密度高，可有效提高锰酸锂的振实密度从而提高体积比容量。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种微米级棒状锰酸锂及其制备方法和应用。

背景技术

在众多的锂离子电池正极材料中，尖晶石型锰酸锂(LiMn₂O₄)由于能量密度高、安全性能好、原料来源丰富、成本低廉等特点，被认为是可广泛应用于3C产品、电动工具、混合动力汽车、电动汽车及储能等领域的正极材料，但该材料仍存在着在使用过程中锰(与电解液的接触)的溶解导致循环性能较差等问题。

研究表明，除了包覆和掺杂可减缓LiMn₂O₄中锰的溶解外，在制备过程中控制晶体的外露面，也是改善其性能的有效方法。在尖晶石LiMn₂O₄众多的晶面如：{100}、{110}、{111}等中，沿{111}晶面族的原子堆积紧密，有着最低的表面能和最高的原子稳定性，因此，在电池体系中该晶面受电解液腐蚀致使Mn溶解的程度最低，文献1(ACSAppl.Mater.Interfaces,8(2016):19567-19572)以立方体MnCO₃为前驱体制备了{111}晶面外露的空心立方体LiMn₂O₄；文献2(Electrochim.Acta，120(2014)：16–22)用模板法制备了多孔纤维结构、{111}晶面外露的纳米LiMn₂O₄；文献3(J.Mater.Chem.,22(2012):20952-20957)以超薄的MnO₂纳米片制备了{111}晶面外露的LiMn₂O₄纳米片；文献4(Ceram.Int.,45(2019):13198-13202)制备了{111}晶面外露的纳米级八面体尖晶石LiMn₂O₄。以上研究结果表明，LiMn₂O₄的{111}晶面族具有较高的稳定性，可在一定程度上提高了尖晶石锰酸锂的循环性能和倍率性能。

LiMn₂O₄的纳米化，可减小电极材料的尺寸，缩短锂离子迁移距离，有利于提高倍率性能、提高放电比容量，另外，纳米结构也有助于释放电极材料在充放电过程中体积变化产生的应力，提高结构稳定性，改善材料的循环稳定性。但纳米结构材料的振实密度较低，不能满足商业应用中锂离子电池体积比容量的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微米级棒状锰酸锂，以解决现有锰酸锂正极材料的电化学性能和振实密度不能兼顾的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述微米级棒状锰酸锂的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供上述微米级棒状锰酸锂的应用。

为实现上述目的，本发明的微米级棒状锰酸锂的技术方案是：

一种微米级棒状锰酸锂，是由基本粒子堆积而成，所述基本粒子为锰酸锂八面体纳米晶，所述棒状锰酸锂的直径和长度均为微米级，棒状锰酸锂上基本粒子的晶粒暴露面为{111}晶面族。