[发明专利]一种锰酸锂或镍锰酸锂材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种锰酸锂或镍锰酸锂材料及其制备方法和应用，通过多次高温固相反应的新方法制备微米级单晶尖晶石正极材料：首先将Mn基和Ni_0.25Mn_0.75基目标前驱体与锂源混合，其中锂元素与过渡金属元素的摩尔比控制在0＜x≤0.2之间，高温固相反应生成非整比尖晶石相Li_2xMn₂O₄或Li_2xNi_0.5Mn_1.5O₄；继续加入锂源，使得摩尔比提高至0.2≤x≤0.5，继续高温固相反应，并重复上述步骤至Li/TM＝0.5后高温固相反应。该微米级单晶尖晶石材料具有更低比表面积，能够显著降低电极表面副反应导致的锰溶解，有助于提高尖晶石正极材料的循环稳定性，满足市场上对长寿命锂离子电池的需要。

技术领域

本发明涉及一种LiMn₂O₄或LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

锂离子电池以其高能量密度、长寿命等优势被认为是理想的储能技术。电极材料是构成锂离子电池的重要部分，也是决定锂离子电池能量密度、使用寿命等性能的关键因素。目前，商业化锂离子电池正极和负极材料主要为层状LiCoO₂和石墨，其中石墨负极的实用比容量已超过300mAh/g，且成本低廉、结构稳定性优异。与之相比，当Li_1-xCoO₂中Li⁺的脱出量x0.5时会发生六方相向单斜相的不可逆转变，造成放电容量的急剧衰减，因此正极材料LiCoO₂的实用比容量仅为140mAh/g。此外，稀缺的钴资源导致LiCoO₂正极材料的成本较高。总之，低容量与高成本的LiCoO₂正极成为限制锂离子电池性能提升及其在大容量、高功率系统广泛应用的主要因素。

尖晶石型LiMn₂O₄属于立方晶系，Fd-3m空间群，具有三维锂离子迁移通道，LiMn₂O₄在3.95～4.1V高电压下有两个充放电平台，理论比容量可达148mAh/g，由于其成本低廉、安全性好、易合成、对环境无污染等优点，被认为当前有希望的正极材料之一。但是由于锰的溶解、Jahn－Teller效应和电解液分解等原因，LiMn₂O₄在循环过程中存在严重的容量衰减问题。目前，普遍认为造成LiMn₂O₄容量衰减的原因是电解液HF对正极材料的腐蚀；LiMn₂O₄正八面体空隙在充放电过程中出现四方畸变，稳定性较差的四方相Li₂Mn₂O₄会在电极表面生成，即所谓的Jahn-Teller效应，这会导致正极材料与电解液接触面积过大，锰会加速溶解，同时会导致氧缺陷造成Mn的平均价态下降等。