CN101659448B - 一种尖晶石型锰酸锂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种尖晶石型锰酸锂的制备方法,包括:使锂盐和锰盐负载在碳颗粒表面;焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒。与现有技术中的固相反应法相比,本发明采用碳颗粒作为反应载体,大大缩短了反应时间并且降低了反应温度,结果表明,制备了纯度高、颗粒形貌良好的尖晶石型锰酸锂晶体。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域,具体涉及一种尖晶石型锰酸锂的制备方法。
背景技术
尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)的主体结构是由氧离子作规则的立方紧密堆积组成,锂离子和锰离子分别占据在四面体和八面体空隙中。它的最简式为LiMn2O4,实际上该晶体完整的单胞形式是Li8Mn16O32,具有(No.227)的空间群,32个氧离子占据立方体的32e位置,它们做立方密堆积(FCC),形成64个四面体间隙和32个八面体间隙。锂离子占据其中1/8的四面体间隙,并且占据8a位置。从整体上看,锂离子分布在锰氧八面体周围的三维孔道中,这种尖晶石结构有利于锂离子的嵌入和脱出,从而保证它在孔道中的迁移,使其充放电过程具有良好的循环性能。
由于尖晶石型锰酸锂具有安全性好、无环境污染、工作电压高、成本低廉等优点,有望成为最具市场前景的锂离子电池正极材料。自20世纪80年代中后期开展对锰酸锂的研究以来,围绕其制备、合成、电化学性质研究的文献报道很多,制备LiMn2O4的方法也多种多样,主要可分为固相合成法和软化学方法。所述固相合成法包括固相高温合成法、机械化学法、熔融浸渍法、微波合成法等。
在现有技术中,由于固相高温合成法是一种常用的方法。在该方法中,将锰原料和锂原料混合在700℃~950℃的高温环境中持续反应12~24小时进行合成,大多数情况下需要控制反应气氛。虽然该方法具有工艺简单、制备条件容易控制的优点,但是反应时间过长,不利于工业推广应用。
本发明人曾经采用加热分解乙炔黑和Mn(NO3)2的混合物制备出质量良好的β-MnO2纳米离子,其反应温度相比于加热分解单独的Mn(NO3)2的温度要低,说明碳可能有降低反应温度的作用。因此,本发明人考虑,如果以碳作为反应载体制备尖晶石型锰酸锂,则可以降低反应温度,缩短反应时间,由此完成了本发明。
发明内容
本发明解决的技术问题在于,提供一种制备尖晶石型锰酸锂的制备方法,通过该制备方法,以较短的反应时间来得到尖晶石型锰酸锂。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种尖晶石型锰酸锂的制备方法,包括:
使锂盐和锰盐负载在碳颗粒表面;
焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒。
优选的,所述焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒的焙烧温度为400℃~1000℃。
优选的,所述焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒的焙烧温度为500℃~800℃。
优选的,所述制备方法,还包括:
将所述焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒得到的焙烧产物进行洗涤、过滤、干燥的步骤。
优选的,使所述锂盐和锰盐负载在碳颗粒表面具体为:
将所述锂盐和锰盐溶于可挥发性液体得到混合溶液;
所述混合溶液中加入碳颗粒;
去除所述混合溶液中的可挥发性液体得到负载有锂盐和锰盐的碳颗粒。
优选的,所述可挥发性液体为水。
优选的,所述锂盐为硝酸锂、氯化锂、乙酸锂、硫酸锂或碳酸锂中的一种或多种。
优选的,所述锰盐为硝酸锰、氯化锰、乙酸锰、硫酸锰或碳酸锰中的一种或多种。
优选的,所述碳颗粒为炭黑、活性炭粉、焦炭粉、木炭粉中的一种或多种。
优选的,所述碳颗粒的粒径小于1mm。
本发明提供尖晶石型锰酸锂的制备方法,本发明先将锂盐和锰盐负载在碳颗粒的表面,然后焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒即得尖晶石型锰酸锂。与现有技术中的固相反应法相比,本发明采用碳颗粒作为反应载体,大大缩短了反应时间并且降低了反应温度,结果表明,制备了纯度高、颗粒形貌良好的尖晶石型锰酸锂晶体。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图2为本发明实施例2制备的尖晶石型锰酸锂的SEM照片;
图3为本发明实施例2制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图4为本发明实施例3制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图5为本发明实施例4制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图6为本发明实施例5制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图7为本发明实施例6制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图8为本发明实施例7制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图9为本发明实施例9制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图10为本发明实施例10制备的尖晶石型锰酸锂的X射线衍射图谱;
图11为本发明比较例1制得的烧结物的SEM照片。
具体实施方式
本发明的一个尖晶石型锰酸锂的制备方法的实施方案,包括:
使锂盐和锰盐负载在碳颗粒表面;
焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒。
按照本发明,所述锰盐可以指本领域技术人员熟知的任何锰盐,优选为硝酸锰、氯化锰、乙酸锰、硫酸锰或碳酸锰中的一种或多种,但不限于此。所述锂盐可以指本领域技术人员熟知的任何锂盐,优选为硝酸锂、氯化锂、乙酸锂、硫酸锂或碳酸锂中的一种或多种,但不限于此。所述碳颗粒指本领域技术人员熟知的碳单质颗粒,具体例子优选为炭黑、活性炭粉、焦炭粉、木炭粉中的一种或多种,但不限于此。
按照本发明,对于所述碳颗粒的粒径大小,并无特别的限制,碳颗粒的粒径并不影响本发明的实质反应过程,只是碳颗粒的粒径越小越有利于增加反应的速度。按照本发明,碳颗粒的粒径优选为小于1mm,更优选小于800μm,更优选小于700μm,更优选小于600μm,更优选小于500μm,更优选小于400μm,更优选小于300μm,更优选小于150μm,但不限于此。
按照本发明,对于使锂盐和锰盐负载在碳颗粒表面的方法,优选按照如下步骤:
将所述锂盐和锰盐溶于可挥发性液体得到混合溶液;
向所述混合溶液中加入碳颗粒;
去除所述混合溶液中的可挥发性液体得到负载有锂盐和锰盐的碳颗粒。
按照本发明,所述可挥发性液体指可以溶解所述锂盐和锰盐的任何液体,优选为水、含水的液体、含乙醇的液体、含芳香族的液体或者它们的混合液体,但不限于此。优选的可挥发性液体是水。对于所述混合溶液中锂盐和锰盐的浓度,并无特别的限制,在锂盐和锰盐的最大溶解度以下的任何浓度均可以实现本发明的目的。对于所述混合溶液中锂盐和锰盐的比例,并无特别的限制,优选按照摩尔比锂∶锰等于1~10∶10~1,更优选为1~9∶9~1,更优选为1~5∶5~1,更优选为1~4∶4~1,更优选为1~2∶4~1,更优选为1∶1。按照本发明,所述向混合溶液中加入的碳颗粒与锰盐或锂盐的比例,本发明并无特别的限制。
按照本发明,制备锂盐和锰盐的混合溶液后,向所述混合溶液中加入碳颗粒,搅拌均匀,对于搅拌方法,并无特别的限制。
按照本案发明,所述去除所述混合溶液中的可挥发性液体得到负载有锂盐和锰盐的碳颗粒优选使用干燥的方法去除,对于干燥的温度,优选为40℃~200℃,更优选为50℃~150℃,更优选为60℃~120℃,但不限于此。
按照本发明,焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒的焙烧温度优选为400℃~1000℃,更优选为500℃~800℃,更优选为600℃~700℃。对于焙烧气氛,优选在含氧气体中焙烧,所述含氧气体优选为空气。对于焙烧压力,本发明无限制,可以常压焙烧,也可以加压烧结,均能实现本发明的目的,优选在常压下焙烧。焙烧后,将焙烧产物体冷却,对于冷却方式,优选自然冷却至较低温度取出。对于焙烧设备,本发明无特别限制,可以为电加热炉等本领域技术人员熟知的设备。
将焙烧产物取出后,优选将焙烧产物进行洗涤,对于洗涤液体优选使用水或乙醇溶液,然后过滤、干燥得到尖晶石型锰酸锂。对于干燥温度,并无特别限制,优选为50℃~100℃,更优选为60℃~90℃。
与现有技术中的固相反应法相比,本发明采用碳颗粒作为反应载体,大大缩短了反应时间并且降低了反应温度,结果表明,制备了纯度高、晶体形貌良好的尖晶石型锰酸锂晶体。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行表述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求范围的限制。
实施例1
称取0.850gLiCl固体放入一100ml的烧杯中,再用移液枪向所述烧杯中加入约3.616g的质量分数为50%的Mn(NO3)2溶液,摇匀,使LiCl固体溶解得到混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.25g的乙炔黑(天津利华进化工有限公司提供,粒度为35nm~40nm、质量标准符合GB/T3782-2006),搅拌均匀;
将所述烧杯放在电热恒温鼓风干燥炉箱中70℃干燥4h;
将干燥后得到的负载有LiCl和Mn(NO3)2的乙炔黑转移到刚玉坩埚内,然后将所述刚玉坩埚放入电加热炉中,空气气氛常压下焙烧,焙烧温度为600℃,焙烧时间为1h。
焙烧后,将所述坩埚在电加热炉内冷却至50℃取出焙烧产物,将所述焙烧产物加去离子水溶解、洗涤、过滤。将所述过滤后的产物在电热恒温鼓风干燥炉中70℃干燥2小时得到黑色固体粉末。
测试所述黑色固体粉末粒度为150nm~250nm。
取所述黑色固体适量用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图1所示,具有如下的晶面间距d:4.75382.48412.37842.05861.89081.58531.45621.3912与LiMn2O4晶体间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例2
以LiNO3和MnCl2为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.02mol/L的LiNO3和0.01mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有LiNO3和MnCl2的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为700℃,焙烧时间2h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度约为400nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图3所示,具有如下的晶面间距d:4.74682.47792.37172.05361.88431.58171.45221.3886基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
取所述黑色固体适量用东芝产S-4800的SEM在5.0千伏观察,得到如图2所示的SEM照片,照片中可以明显的看到LiMn2O4的八面体晶体结构,表明得到了纯度较高的尖晶石型锰酸锂。
实施例3
以LiNO3和MnCl2为原料,以质量浓度为20%的乙醇水溶液为溶剂,制备50ml浓度为0.02mol/L的LiNO3和0.01mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有LiNO3和MnCi2的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为700℃,焙烧时间0.5h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为150nm~250nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图4所示,具有如下的晶面间距d:4.75102.71672.48132.37582.05741.88811.58461.45501.3914基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例4
以LiNO3和MnCl2为原料,以质量浓度为20%的乙醇水溶液为溶剂,制备50ml浓度为0.02mol/L的LiNO3和0.01mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g、粒度为20μm~50μm、比表面积为800m2/g~1000m2/g的活性炭粉搅拌均匀;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有LiNO3和MnCl2的活性炭粉转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为700℃,焙烧时间4h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粒度为200nm~400nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图5所示,具有如下的晶面间距d:4.72572.47122.36662.04911.88121.57871.44951.3864基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例5
以Li2CO3和MnCl2为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.01mol/L的Li2CO3和0.01mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有Li2CO3和MnCl2的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为700℃,焙烧时间8h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为200nm~300nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图6,具有如下的晶面间距d:4.72962.47002.36462.04761.87811.57661.44771.3849基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例6
以Li2CO3和Mn CO3为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.01mol/L的Li2CO3和0.01mol/L的Mn CO3的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有Li2CO3和Mn CO3的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为800℃,焙烧时间0.5h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为600nm~800nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图7,具有如下的晶面间距d:4.74442.47862.37412.05551.88651.58271.45411.3903基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例7
以Li2CO3和Mn SO4为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.01mol/L的Li2CO3和0.01mol/L的Mn SO4的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有Li2CO3和Mn SO4的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为800℃,焙烧时间2h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为600nm~800nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量结果如图8,具有如下的晶面间距d:4.75662.48062.37862.1081.99191.16121.50231.4236基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例8
以LiNO3和MnCl2为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.01mol/L的LiNO3和0.01mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有LiNO3和MnCl2的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为600℃,焙烧时间2h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为150nm~250nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,具有如下的晶面间距d:4.72892.47562.34262.01241.87691.56381.4377基本无杂峰,与LiMn2O4晶面间距一致,表明制备了质量良好的LiMn2O4。
实施例9
以LiCl和MnCl2为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.01mol/L的LiCl和0.04mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.25g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有LiCl和MnCl2的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为400℃,焙烧时间2h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为150nm~250nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量如图9所示,除显示了LiMn2O4的衍射峰以外,还出现了少许含Mn3O4的衍射峰,这与烧结温度过低有关,如果增加烧结时间,则会得到比较好的效果。
实施例10
以LiCl和MnCl2为原料,以水为溶剂,制备50ml浓度为0.01mol/L的LiCl和0.02mol/L的MnCl2的混合溶液;
向所述混合溶液中加入0.5g的乙炔炭黑然后搅拌均匀,乙炔炭黑来源与实施例1相同;
将所述溶液在鼓风干燥炉箱中65℃干燥4h,以去除水;
将干燥后得到的负载有LiCl和MnCl2的乙炔黑转移到坩埚内,然后在电加热炉内常压下焙烧,焙烧温度为400℃,焙烧时间2h;
将焙烧产物在所述电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到粉末粒度为150nm~250nm的黑色固体粉末;
取所述黑色固体粉末用Phillips X′Pert Pro MPD X射线衍射仪测量,测量如图10所示,除显示了LiMn2O4的衍射峰以外,还出现了少许杂质衍射峰,这与烧结温度过低有关,如果增加烧结时间,则会得到比较好的效果。
比较例1
以LiCl和MnCl2为原料混合得到混合物,所述混合物中按摩尔比Li∶Mn为1∶2;
取上述混合物分别在650℃烧结8小时、750℃烧结8小时、650℃烧结24小时、750℃烧结24小时;
将上述四种焙烧产物在电加热炉内冷却至50℃取出,加去离子水溶解、洗涤、过滤,在70℃干燥2小时得到四种黑色固体粉末
分别取上述四种黑色固体粉末东芝产S-4800的SEM在5.0千伏观察,得到如图11所示的SEM照片,照片中可以明显的看到晶体生长不完整,不能得到高纯度的尖晶石型锰酸锂。
以上对本发明提供的尖晶石型锰酸锂的制备方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种尖晶石型锰酸锂的制备方法,包括:
将所述锂盐和锰盐溶于可挥发性液体得到混合溶液;
向所述混合溶液中加入碳颗粒;
去除所述混合溶液中的可挥发性液体得到负载有锂盐和锰盐的碳颗粒;
焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒的焙烧温度为400℃~1000℃。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒的焙烧温度为500℃~800℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,还包括:
将所述焙烧所述负载有锂盐和锰盐的碳颗粒得到的焙烧产物进行洗涤、过滤、干燥的步骤。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述可挥发性液体为水。
6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法,其特征在于,所述锂盐为硝酸锂、氯化锂、乙酸锂、硫酸锂或碳酸锂中的一种或多种。
7.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法,其特征在于,所述锰盐为硝酸锰、氯化锰、乙酸锰、硫酸锰或碳酸锰中的一种或多种。
8.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法,其特征在于,所述碳颗粒为炭黑、活性炭粉、焦炭粉、木炭粉中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述碳颗粒的粒径小于1mm。
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