[发明专利]一种原子级掺杂镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种原子级掺杂镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将片状三氧化二锰、镍源、锂源以及稀土金属氧化物混合均匀，然后利用快速升温技术，在600‑1000℃内进行煅烧，自然冷却至室温时，研磨后得到稀土金属原子级掺杂的镍锰酸锰酸锂正极材料；本发明原子级掺杂镍锰酸锂正极材料的制备方法，工艺简单、效率高、设备要求低，易实现大规模的生产；本发明通过原子级掺杂稀土金属阳离子对电池材料镍锰酸锂进行改性，在晶体结构基本不变的情况下，提高了镍锰酸锂晶体结构的稳定性，减少了姜泰勒效应导致的锰在电解液中的溶解，从而有效的改善了镍锰酸锂正极材料的循环稳定性以及倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，涉及一种原子级掺杂镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池已成为便携式电子设备最受欢迎的电源，近年来在电动汽车和混合动力汽车上显示出巨大的应用前景。不幸的是，目前商用锂离子电池有限的能量密度降低了它们的竞争力，促使下一代高能量密度锂离子电池的广泛研究开发。尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料由于具有4.7V的高工作电压引起了研究者更多的关注。由于具有更高的能量密度，镍锰酸锂被普遍认为是下一代锂离子电池正极材料之一。

由于镍锰酸锂在高工作电压下发生有害的相变以及过渡金属溶解引起的活性材料的损失，镍锰酸锂在循环过程中的结构不稳定性阻碍了可靠和安全的高能锂离子电池的发展。镍锰酸锂在充放电过程中，有害两相反应的发生涉及到过渡金属在Fd3m结构中从16d位置迁移到16c位置。同时，尖晶石LNMO在循环过程中也会出现锰在电解液中的有害溶解，锰溶解是由于Mn³⁺不稳定的歧化反应(姜泰勒效应)，产生的Mn²⁺溶于电解液，导致空缺16d位点空缺，破坏晶体结构的结构完整性，导致容量的快速下降。

专利CN201810723693.5公开了一种钪掺杂镍锰酸锂锂离子电池正极材料及其制备方法，即先通过溶胶凝胶法使得镍源，锂源，锰源和钪源制成凝胶，再通过煅烧制备出钪掺杂的镍锰酸锂正极材料。通过钪的掺杂，使得镍锰酸锂的容量和稳定性都得到提升。

专利CN202110068981.3公开了一种掺杂合成二元镍锰酸锂正极材料的改性方法，即通过溶胶凝胶法使得锂盐，镍盐，锶盐，锰盐混合均匀，最后通过煅烧得到锶掺杂的镍锰酸锂。实验证明，Sr²⁺的掺杂，增强了镍锰酸锂结构稳定性，抑制材料表面副反应的发生，大大改善其循环性能。

显然地，通过在镍锰酸锂正极材料中掺杂适量的元素的方法为正极材料的开发提供了新的思路借鉴，结合特定的工艺手段，如溶胶凝胶法或者固相法，有望解决正极材料的循环、倍率及稳定性等行业技术壁垒问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原子级掺杂镍锰酸锂正极材料及其制备方法和应用，通过原子级掺杂稀土金属阳离子对电池材料镍锰酸锂进行改性，提高了镍锰酸锂晶体结构的稳定性，改善了镍锰酸锂正极材料的循环稳定性和倍率性能。

为解决上述性能问题，本发明采用的技术方案是：

一种原子级掺杂镍锰酸锂正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将乙酰丙酮锰溶于乙二醇溶液中，其中乙酰丙酮锰浓度为0.05～0.5mol/L，并加入表面活性剂，加热并搅拌得到白色沉淀；

(2)将白色沉淀置于马弗炉中以0.5～10℃/min升温至300～800℃高温煅烧1～30h得到片状三氧化二锰；

(3)将片状三氧化二锰和镍源、锂源以及稀土金属氧化物分散在乙醇中并在室温下搅拌，然后在真空烘箱中烘干，最后利用球磨机球磨物料使其混合均匀；其中片状三氧化二锰、镍源和锂源的加入量按照镍锰酸锂正极材料的化学计量比进行加入；