CN102659183A - 正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法 - Google Patents

正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,以钠离子、钾离子中的一种或两种来部分取代锰酸锂LiMn2O4中的锂元素,并包括以下步骤:先将锂、钠、钾、锰元素以摩尔比的计量比称量醋酸锂、醋酸钠、醋酸钾、二氧化锰,后将原材料充分混合,经高温处理12-36小时后冷却,通过高温固相反应方法合成Li1-x-yNaxKyMn2O4电极。本发明采用了常见的钠离子与钾离子,在地球上的含量高,价格相对便宜,且无明显毒,使得该发明在材料生产中不会引起额外的环境污染,该发明材料合成制备方法简单,更加环保,无污染。

Description

正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法
 
技术领域
    本发明涉及一种新型锂离子电池正极材料,具体涉及一种正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4的制备方法。
背景技术
将其它类化学能转换成电能的装置主要包括二次电池,一次电池和燃料电池。二次电池体系较多,如镍氢电池、铅酸电池、液流电池和锂离子电池。二次电池的工作方式是,充电时将电能转换成化学能,放电时则将化学能转换成电能。
其中,锂离子电池是最常用的一种二次电池,具有单体电池电压高、能量密度高的优点,目前在小型便携式电子设备中获得广泛应用,在未来锂离子二次电池很有可能在大型动力电池中获得广泛应用。
各种锂离子二次电池正极材料中,获得广泛商业化应用的是钴酸锂,其次是锰酸锂。
钴酸锂的价格较昂贵,安全性能还不是很好,这两点会妨碍钴酸锂的大规模使用。锰酸锂的优点是循环性能比较好,工作电压适中,适合于目前的电解液体系,价格便宜。不过也有它自身的缺点,即高温下循环性能比较差。
一般认为锰酸锂高温循环稳定性差的原因有二,一是锰元素的溶解,再就是材料中JT效应引起的结构变形在温度升高以后会更加严重。
基于该材料性能衰减的机理,就存在两种改进其循环稳定性的战略,从抑制锰元素的溶解并减轻材料中的JT变形着手。常用的方法是利用其它杂质金属元素部分取代其中的锰元素,即LiMn2-xMxO4,其中的M是其它元素。
还有一种方法十分少见,目前还未见公开的文献报道,即采用取代部分锂金属的方式,取代的元素为钠和钾。由于钠离子和钾离子半径大于锂离子,适当的掺杂钠离子和钾离子后,晶格中的钠离子与钾离子可以增大晶格常数,提高晶格中锰离子之间的距离,减弱JT变形效应,从而达到改进该材料循环稳定性的目的。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的是提供一种新型锂离子电池正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4的制备方法。
为实现上述技术目的,达到上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现:
一种正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4的制备方法,以钠离子、钾离子中的一种或两种来部分取代锰酸锂LiMn2O4中的锂元素,并包括以下步骤:先将锂、钠、钾、锰元素以摩尔比的计量比称量锂盐、钠盐、钾盐、锰源,后将原材料充分混合,经高温处理12-36小时后冷却,通过高温固相反应方法合成Li1-x-yNaxKyMn2O4电极。
进一步的,所述Li1-x-yNaxKyMn2O4中0<x,y<0.1。
进一步的,所述原材料混合方式为传统机械球磨方式。
进一步的,所述原材料混合方式为通过溶胶凝胶方法的混合方式。
进一步的,所述高温处理过程为先在200-300度的氮气环境下预烧,然后再在700-950度的氧气环境下烧结。
进一步的,所述锂盐为醋酸锂、草酸锂、碳酸锂中的一种。
进一步的,所述钠盐包括碳酸钠、草酸钠、醋酸钠中的一种。
进一步的,所述钾盐为醋酸钾。
进一步的,所述锰源为醋酸锰、草酸锰、二氧化锰、三氧化二锰中的一种。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、钠离子与钾离子在地球上的含量高,价格相对便宜,有些用于部分取代锰元素的杂质金属的价格比较贵重。
2、材料合成制备方法简单,采用其他金属部分取代元素锰时,有时候需要严格的制备条件。
3、更加环保,无污染。钠离子与钾离子是日常生活环境中常见的金属离子,材料生产中不会引起额外的环境污染,而用于取代锰元素的其他金属,一般都具有污染性,有些还有明显毒性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例详细说明。
具体实施方式
下面将结合实施例,来详细说明本发明。
实施例1:
    Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4
元素锂按照110%计算以补充制备过程中的损失。按照锂:钠:钾:锰元素的摩尔比0.88:0.1:0.1:2的计量比称量醋酸锂、醋酸钠、醋酸钾、二氧化锰,球磨机球磨3小时充分混合后,在氮气中300度预烧3小时,自然冷却后再在球磨机中球磨3小时,然后在800度氧气中烧结21小时,自然冷却后得到产品。以产物为正极,以金属锂为负极,以1M LiPF6/EC+DEC+DMC 为电解液,组装成扣式电池,在0.1C倍率下容量为120mAh/g,作为对比的相同条件下制备的LiMn2O4材料的容量为130mAh/g。60度循环50次以后,对比样品LiMn2O4的容量为75mAh/g,而Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4的容量仍然有110mAh/g。
 
实施例2:
    Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4
元素锂按照110%计算以补充制备过程中的损失。按照锂:钠:钾:锰元素的摩尔比0.88:0.1:0.1:2的计量比称量醋酸锂、醋酸钠、醋酸钾、醋酸锰,充分混合后溶于蒸馏水中,加入柠檬酸,缓慢加热蒸发水分得到凝胶,将凝胶在氮气中300度预烧3小时,自然冷却后再在球磨机中球磨3小时,然后在800度氧气中烧结21小时,自然冷却后得到产品。以产物为正极,以金属锂为负极,以1M LiPF6/EC+DEC+DMC 为电解液,组装成扣式电池,在0.1C倍率下容量为123mAh/g,作为对比的相同条件下制备的LiMn2O4材料的容量为137mAh/g。60度循环50次以后,对比样品LiMn2O4的容量为86mAh/g,而Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4的容量仍然有117mAh/g。
 
实施例3:
    Li0.9K0.1Mn2O4
元素锂按照110%计算以补充制备过程中的损失。按照锂:钠:钾:锰元素的摩尔比0.99:0.1:2的计量比称量醋酸锂、醋酸钾、醋酸锰,充分混合后溶于蒸馏水中,加入柠檬酸,缓慢加热蒸发水分得到凝胶,将凝胶在氮气中300度预烧3小时,自然冷却后再在球磨机中球磨3小时,然后在800度氧气中烧结21小时,自然冷却后得到产品。以产物为正极,以金属锂为负极,以1M LiPF6/EC+DEC+DMC 为电解液,组装成扣式电池,在0.1C倍率下容量为133mAh/g,作为对比的相同条件下制备的LiMn2O4材料的容量为137mAh/g。60度循环50次以后,对比样品LiMn2O4的容量为86mAh/g,而Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4的容量仍然有121mAh/g。
 
实施例4:
    Li0.9Na0.1Mn2O4
元素锂按照110%计算以补充制备过程中的损失。按照锂:钠:锰元素的摩尔比0.99:0.1:2的计量比称量醋酸锂、醋酸钾、醋酸锰,充分混合后溶于蒸馏水中,加入柠檬酸,缓慢加热蒸发水分得到凝胶,将凝胶在氮气中300度预烧3小时,自然冷却后再在球磨机中球磨3小时,然后在850度氧气中烧结21小时,自然冷却后得到产品。以产物为正极,以金属锂为负极,以1M LiPF6/EC+DMC 为电解液,组装成扣式电池,在0.1C倍率下容量为132mAh/g,作为对比的相同条件下制备的LiMn2O4材料的容量为137mAh/g。60度循环50次以后,对比样品LiMn2O4的容量为86mAh/g,而Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4的容量仍然有114mAh/g。
 
实施例5:
    Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4
    元素锂按照110%计算以补充制备过程中的损失。按照锂:钠:钾:锰元素的摩尔比0.88:0.1:0.1:2的计量比称量碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、二氧化锰,球磨机球磨3小时充分混合后,在氮气中300度预烧3小时,自然冷却后再在球磨机中球磨3小时,然后在900度氧气中烧结24小时,自然冷却后球磨产物3小时,再在900度下烧结12小时。以产物为正极,以金属锂为负极,以1M LiPF6/EC+DEC+DMC 为电解液,组装成扣式电池,在0.1C倍率下容量为114mAh/g,作为对比的相同条件下制备的LiMn2O4材料的容量为120mAh/g。60度循环50次以后,对比样品LiMn2O4的容量为72mAh/g,而Li0.8Na0.1K0.1Mn2O4的容量仍然有90mAh/g。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于,以钠离子、钾离子中的一种或两种来部分取代锰酸锂LiMn2O4中的锂元素,并包括以下步骤:先将锂、钠、钾、锰元素以摩尔比的计量比称量锂盐、钠盐、钾盐、锰源,后将原材料充分混合,经高温处理12-36小时后冷却,通过高温固相反应方法合成Li1-x-yNaxKyMn2O4电极。
2.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述Li1-x-yNaxKyMn2O4中0<x,y<0.1。
3.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述原材料混合方式为传统机械球磨方式。
4.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述原材料混合方式为通过溶胶凝胶方法的混合方式。
5.根据权利要求1或3或4所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述高温处理过程为先在200-300度的氮气环境下预烧,然后再在700-950度的氧气环境下烧结。
6.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述锂盐为醋酸锂、草酸锂、碳酸锂中的一种。
7.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述钠盐包括碳酸钠、草酸钠、醋酸钠中的一种。
8.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述钾盐为醋酸钾。
9.根据权利要求1所述的正极材料Li1-x-yNaxKyMn2O4制备方法,其特征在于:所述锰源为醋酸锰、草酸锰、二氧化锰、三氧化二锰中的一种。
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