CN102875130A - 加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于按锂、镍、锰、钴、M的离子摩尔比为(1+x):(1-x)·y:(1+z-x·z):(1-x)·k:(1-x)·q分别称取锂、镍、锰和钴的化合物以及M化合物。将称取的镍、锰和钴的化合物混合，加入混合物总重量的1%至20%的碳化合物，再加入湿磨介质和有机弱酸，湿磨混合3～15小时，再加入锂的化合物，湿磨混合3～15小时得前驱物1；将前驱物1用干燥制得前驱物2。将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中,采用烧结法制得富锂固溶体正极材料。本发明制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳。

Description

加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法

技术领域

本发明属于电池电极材料制备的技术领域,具体涉及一种可用于锂电池、锂离子电池、聚合物电池和超级电容器的掺杂富锂固溶体正极材料的制备方法。

技术背景

尖晶石型LiMn₂O₄具有工作电压高、价格低廉、环境友好等特点，但是该正极材料的可逆容量较低，在1C倍率充放电时放点容量只有90-100mAh/g；在高温下该正极材料的放电容量会随着充放电循环的进行快速衰减。

富锂固溶体正极材料Li₂MnO₃·Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂展现出比容量高、热稳定性好、循环性能良好等优点，从而吸引了国内外专家学者的高度兴趣。目前制备富锂固溶体正极材料采用的方法包括共沉淀方法、溶胶方法、固相烧结方法等。在这几种制备方法中，为了进一步改善制备样品的电化学性能，如提高第1循环的电流效率，改善不同倍率电流的放电性能等，也有一些掺杂制备方法的研究报道。

在共沉淀制备方法中，依据生成的沉淀的不同又分为氢氧化物共沉淀法和碳酸盐共沉淀法。

在氢氧化物共沉淀法中，依据采用沉淀剂的不同又可分为氢氧化锂共沉淀方法、氢氧化钠(钾)与氨水共沉淀方法，以下分别讨论：

氢氧化锂共沉淀方法是采用LiOH为沉淀剂，将LiOH溶液加入锰盐、镍盐和钴盐的溶液中，制得锰、镍和钴的氢氧化物沉淀的复合物。将氢氧化物沉淀的复合物洗涤、干燥后,与过量LiOH混合，经过一段或两段或两次烧结制得富锂锰酸锂材料[Guo X. et al. J. Power Sources，2008， 184： 414–419.; Denis Y. et al,J. Electrochem. Soc., 2010， 157：A1177-A1182.；Li J., et al, J. Power Sources, 2011， 196： 4821–4825.]。

为了改善氢氧化锂共沉淀方法制备的样品的倍率放电性能，吴晓彪等将氢氧化锂共沉淀方法制备的Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂进行包覆碳处理；Shi等将制备的Li_1.048Mn_0.381Ni_0.286Co_0.286O₂进行磁控溅射处理，制备包覆碳的正极材料。结果表明，碳包覆材料具有高倍率放电性能(5C，145 mAh/g)[吴晓彪等，厦门大学学报(自然科学版)， 2008, 47: 224-227; Shi S. J. et al, Electrochim. Acta， 2012, 63: 112–117]。

为了改善氢氧化锂共沉淀方法制备的样品的倍率放电性能，Croy等将制备的Li₂MnO₃前驱物或Li_1.2Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂ 和Li_1.13Mn_0.47Co_0.20Ni_0.20O₂富锂固溶体材料用酸或酸式盐处理，以改善性能[Croy J. R. et al, Electrochem. Commun., 2011, 13: 1063–1066.；Denis Y. et al, J. Electrochem. Soc., 2010, 157 : A1177-A1182.]。研究表明，经过(NH₄)₂SO₄处理的材料具有较高的容量和良好的倍率放电性能。

为了进一步改善氢氧化锂共沉淀方法制备的样品的倍率放电性能，Rodrigues等在制备时加入尿素，利用尿素分解产物进一步促进共沉淀的发生。Rodrigues等[Rodrigues I.，Solid State Electrochem., 2012, 16: 1121–1132.]先配制Co(NO₃)₂·6H₂O、 Ni(NO₃)₂·6H₂O、Mn(NO₃)₂·6H₂O、 NH₂CONH₂和LiOH·H₂O的混合溶液，加入NH₂CONH₂溶液，用水热法、微波水热合成法或100℃加热法确定了尿素分解的最佳温度。研究表明，随着反应溶液pH值的增大，沉淀物从溶液中析出。在空气气氛中干燥后，将干燥的氢氧化物和过量3%的LiOH合成LiNi_xMn_xCo_{(1 – 2x)}O₂前驱物。前驱物造粒后，在空气气氛中分别于500℃和900℃烧结，最后淬火冷却。

氢氧化钠(钾)与氨水共沉淀方法是采用氨水与NaOH或KOH溶液的混合溶液作为沉淀剂，将氨水和NaOH溶液或氨水和KOH溶液加入锰盐、镍盐和钴盐溶液中，制得锰、镍和钴的氢氧化物的沉淀。洗涤、干燥氢氧化物沉淀后，与化学计量稍过量的LiOH或Li₂CO₃混合，经过两段烧结制得富锂层状正极材料。[钟盛文等，电源技术，2012， 36：59-62.；催立峰等专利ZL200910264411.0]

为了进一步改善氢氧化钠(钾)与氨水共沉淀法制备的样品的性能，Arunkumar等将制备的富锂固溶体材料用氧化剂NO₂BF₄的乙腈溶液进行化学脱锂。[Arunkumar T. A.et al, Chem. Mater. 2007, 19, 3067-3073.； Wu Y. et al, J. Power Sources， 2008， 183： 749–754.]

为了改善氢氧化钠(钾)与氨水共沉淀法制备的样品的性能，Wu等制备包覆或掺杂的富锂固溶体材料。通过共沉淀法先制备未包覆的样品，然后通过溶液途径制备表面由Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、SiO₂、ZnO、AlPO₄和F^-离子修饰的富锂固溶体材料(1-z)Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂•(z) Li[Mn_{0.5 − y}Ni_{0.5 − y}Co_2y]O₂ [Wu Y., Manthiram A.,Solid State Ionics，2009， 180： 50–56.]。

碳酸盐共沉淀法是先制备镍、钴、锰的碳酸盐沉淀，然后再与碳酸锂或氢氧化锂混合，经过两段烧结法或一段烧结法或分步制备方法，制得富锂正极材料。例如，在氩气气氛中，Liun等将NH₄HCO₃、(NH₄)₂CO₃或Na₂CO₃溶液加入NiSO₄、CoSO₄和MnSO₄的混合溶液中，经过滤、洗涤、干燥后得Ni_0.2Co_0.1Mn_0.533(CO₃)_x前驱物。前驱物在500℃下烧结后再与Li₂CO₃混合，在空气气氛于900℃烧结得到球形粉末Li_1.167Ni_0.2Co_0.1Mn_0.533O₂ 。 在2.0–4.8 V电压区间放电容量可达340mAh/g。[Liun X. et al.， Materials International, 2012，22：126–129.；Wang J. et al, Electrochim. Acta, 2012, 66 : 61–66.;专利ZL201110300604.4]。

为了进一步改善碳酸盐共沉淀法制备的样品的库仑效率和放电性能，进行了掺杂改性研究。例如，Deng等将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰溶液和碳酸钠溶液合成碳酸盐前躯体(Ni_0.1875Co_0.125Mn_0.6875)CO₃。将前躯体悬浮于Al(NO₃)₃·9H₂O水溶液中，滴加NH₄F悬浮液，经过搅拌，过滤后和100℃干燥后，在400℃下烧结，制备得到2wt% AlF₃包覆的Li_1.1Ni_0.15Co_0.1Mn_0.55O_1.95。该材料在55℃的可逆容量达304 mAh/g，首次循环的库仑效率达84%。[Belharouak Deng H. et al, J. Electrochem. Soc., 2010，157：A1035-A1039.]

为了进一步改善碳酸盐共沉淀法制备的样品的放电性能，进行了分步骤制备研究。Shin等将硫酸钴、硫酸锰与碳酸氢铵溶液反应，制得Co_0.5Mn_0.5CO₃前躯体。该前躯体干燥后与Li₂CO₃机械混合。在空气气氛中，分别于550℃和850℃烧结制得0.5Li₂MnO₃·0.5LiCoO₂前驱物。将该前驱物与磷酸二氢铵、乙醇酸、硝酸镍、硝酸锂混合，在空气气氛中干燥，再在550℃下烧结，制得0.5Li₂MnO₃·0.5LiNi_0.44Co_0.25Mn_0.31O₂ [Shin,C. et al, J. Electrochem. Soc., 2012， 159 ：A121-A127.]。

由于通过共沉淀方法制备时，无论形成氢氧化物的共沉淀还是形成碳酸盐的共沉淀，进行制备都要经过一个沉淀、洗涤沉淀及干燥的过程。该制备工艺制备步骤多，制备过程需要使用大量洗涤水，增加了水污染。通过共沉淀法制备碳酸盐沉淀时存在镍、锰、钴离子的沉淀溶度积较大；通过共沉淀法制备氢氧化物沉淀时，存在部分沉淀溶解而造成镍、锰、钴离子的沉淀不完全（氢氧化物沉淀物容易与OH^-或氨形成络合物增大了氢氧化物的溶解度），引起最终制备的产物的组成的化学计量比难以准确控制，造成样品的电化学性能和大电流放电性能的不稳定(武汉大学主编，分析化学（第2版），高等教育出版社，1982年10月，北京：第14页至第17页)。由于目前制备的富锂固溶体正极材料的大电流放电性能均不理想，本发明试图通过在制备过程中加入碳化合物，并在制备中加入掺杂剂进一步改善大电流放电性能。碳化合物在烧结过程中产生的二氧化碳或一氧化碳使得部分氧化物被还原金属颗粒，改善了样品的大电流放电性能。

发明内容

共沉淀法制备时要经历的过滤、洗涤等耗能、耗水的制备步骤，此外，在通过共沉淀法进行制备时，由于锰离子、钴离子、镍离子的氢氧化物或碳酸盐沉淀不完全，使得制备产物的化学计量比难以控制。普通固相烧结法通过反应产物简单球磨混合，再进行烧结制备的工艺存在的反应物混合不均匀，反应产物的电化学性能的一致性差等问题。本发明能够避免上述不足。为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是制备过程由以下步骤组成:

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、M离子的摩尔比为(1+ x) : (1-x)· y : (x+z-x·z) : (1-x) ·k : (1-x) ·q分别称取锂的化合物、镍的化合物、锰的化合物、钴的化合物和M化合物。按照下列摩尔比例关系量取有机弱酸：(x+z-x·z)≤ 有机弱酸摩尔数≤1。 x、y、z、k和q的取值范围同时满足以下关系：0.25≤x≤0.50, 0.05≤y≤0.50, 0.15≤z≤0.51, 0.02≤q≤0.15, 0.05≤k≤0.30，-0.10≤（2·(1-x）·y + 4·(x+z-x·z) + 3·(1-x) ·k + 2·(1-x) ·q – 3 - x) ≤0.10。

将称取的镍的化合物、锰的化合物、钴的化合物和M化合物混合得到混合物1，加入混合物1总重量的1%至25%的碳的化合物得到混合物2。加入混合物2的总体积的1/10倍至15倍体积的湿磨介质，加入有机弱酸，湿磨混合3小时～15小时，再加入锂的化合物，湿磨混合3小时～15小时得到前驱物1。将前驱物1用真空干燥或喷雾干燥的方法制备得到干燥的前驱物2。将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中,采用两段烧结法或者两次分段烧结法制备理论组成为xLi₂MnO₃•(1-x)Li[Ni_yMn_zCo_kM_q]O₂的富锂固溶体正极材料。

所述的两次分段烧结法如下进行:将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中，在300℃～550℃温度区间的任一温度烧结3小时～15小时,冷却至室温制得母体预烧料。将母体预烧料粉碎及过筛，再次置于空气、富氧气体或纯氧气氛中,在800℃～1050℃温度区间的任一温度烧结3小时～24小时,制备富锂固溶体正极材料。

所述的两段烧结法如下进行:将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中，在300℃～550℃温度区间的任一温度烧结3小时～15小时,接着置于另一空气、富氧气体或纯氧气氛的烧结炉中，于800℃～1050℃温度区间的任一温度烧结3小时～24小时,制备富锂固溶体正极材料。

所述的有机弱酸为氨基乙酸、一氯乙酸、甲酸或乙酸。

所述的镍的化合物为碳酸镍或碱式碳酸镍，或碳酸镍与碱式碳酸镍的任意比例的混合物；所述的锰的化合物为碳酸锰或碱式碳酸锰，或碳酸锰与碱式碳酸锰的任意比例的混合物；所述的钴的化合物为碳酸钴、草酸钴或碱式碳酸钴，或碳酸钴与碱式碳酸钴的任意比例的混合物；所述的M化合物为亚铁、铁、铜或锡的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐或氯化物。

所述的碳的化合物为葡萄糖、蔗糖、聚丙烯、聚丙烯酰胺、柠檬酸、聚乙烯醇或淀粉的一种。

所述的真空干燥是将前驱物1在80℃～280℃温度区间的任一温度，在介于10Pa ～ 10132Pa压力范围的任意压力的真空中干燥，制备前驱物2；所述的喷雾干燥是在110℃～280℃温度区间的任一温度，采用喷雾干燥机制备干燥的前驱物2。

所述的湿磨介质为去离子水、蒸馏水、乙醇、丙酮、甲醇或甲醛；所述的富氧气体是氧气体积含量大于21%且小于100%之间的气体。

所述的湿磨的设备包括普通球磨机、超能球磨机或湿磨机；所述的锂的化合物为碳酸锂、氢氧化锂或碱式碳酸锂，或其任意比例的混合物。

与其它发明方法相比, 用于掺杂的亚铁、铁、铜或锡离子在制备的样品中进入富锂固溶体的结构。其中亚铁和铜离子主要作为取代富锂固溶体的结构的镍位的离子；铁主要作为取代富锂固溶体的结构的钴位的离子；而锡离子主要作为取代富锂固溶体的结构的锰位的离子。亚铁、铁、铜或锡离子进入富锂固溶体的结构中可以进一步改善样品的物相结构在充放电过程的稳定性，从而明显改善样品的大电流放电性能。加入的混合物1总重量的1%至25%的碳的化合物在烧结过程中的一部分被烧成二氧化碳等气体，这部分气体从样品中脱出时能将板结为一体的样品转变为疏松，有利于电池材料的后续加工过程以及改善样品的大电流放电性能；另一部分碳的化合物在烧结过程中转变为一氧化碳起到控制制备样品烧结过程及烧结进度的作用因此，本发明的制备方法对改善样品的性能起到意想不到的效果。

本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的样品的XRD衍射图。

图2是本发明实施例1制备的样品的第1循环的放电曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。实施例仅是对本发明的进一步补充和说明,而不是对发明的限制。

实施例1

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、亚铁离子、一氯乙酸的摩尔比为1.5 : 0.025 : 0.755 : 0.15:0.01：1分别称取碱式碳酸锂、碳酸镍、碱式碳酸锰、碳酸钴与碱式碳酸钴重量比1:9的混合物、氧化亚铁、一氯乙酸。

将称取的碳酸镍、碱式碳酸锰、碳酸钴与碱式碳酸钴重量比1:9的混合物、氧化亚铁混合得到混合物1，加入混合物1总重量25%的蔗糖得到混合物2；加入混合物2总体积的15倍体积的乙醇，加入一氯乙酸，用普通球磨机湿磨混合15小时，再加入碱式碳酸锂，用普通球磨机湿磨混合15小时得到前驱物1；将前驱物1在110℃下用喷雾干燥机干燥。制得前驱物2；将前驱物2置于氧气体积含量为99%的富氧空气气体中，在550℃烧结15小时,冷却至室温制得母体预烧料；将母体预烧料粉碎及过30目筛，再置于纯氧气氛中，于1050℃烧结24小时,制备组成为0.50 Li2MnO3•0.50 Li[Ni0.05Mn0.51Co0.30Fe0.02]O2的富锂固溶体正极材料。制备样品的XRD衍射图如图1所示。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为187mAh/g，第1循环的放电曲线如图2所示。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

实施例2

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、亚铁离子、氨基乙酸的摩尔比为1.25 : 0.263 : 0.633 : 0.0375 : 0.015：0.633分别称取碳酸锂、碳酸镍、碳酸锰、碳酸钴、氧化亚铁、氨基乙酸。

将称取的碳酸镍、碳酸锰、碳酸钴和氧化亚铁混合得到混合物1，加入混合物1总重量1%的葡萄糖得到混合物2；加入混合物2的总体积的1/10倍体积的去离子水，加入氨基乙酸，用湿磨机湿磨混合3小时，再加入碳酸锂，用普通球磨机湿磨混合3小时得到前驱物1；将前驱物1在80℃下于10Pa压力的真空中干燥得到前驱物2；将前驱物2置于空气气氛中,在300℃烧结3小时,接着置于1050℃烧结24小时,制备组成为0.25Li₂MnO₃•0.75 Li[Ni_0.35Mn_0.51Co_0.05Fe_0.02]O₂的富锂固溶体正极材料。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为180mAh/g。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

实施例3

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、铁离子、甲酸的摩尔比为1.30 : 0.35 : 0.511 : 0.21 : 0.014：0.52分别称取氢氧化锂、碱式碳酸镍、碳酸锰与碱式碳酸锰重量比为1:9的混合物、碳酸钴与碱式碳酸钴重量比为9:1的混合物、氢氧化铁、甲酸。

将称取的碱式碳酸镍、碳酸锰与碱式碳酸锰重量比为1:9的混合物、碳酸钴与碱式碳酸钴重量比为9:1的混合物以及氢氧化铁混合得到混合物1，加入混合物1总重量的15%的淀粉得到混合物2；加入混合物2总体积的15倍体积的甲醇，加入甲酸，用湿磨机湿磨混合12小时，再加入氢氧化锂，用湿磨机湿磨混合12小时得到前驱物1；将前驱物1在280℃下用喷雾干燥机喷雾干燥，制备干燥的前驱物2；将前驱物2置于纯氧气氛中,在300℃烧结3小时,接着置于800℃烧结3小时,制备组成为0.30 Li₂MnO₃•0.70 Li[Ni_0.50Mn_0.301Co_0.30Fe_0.02]O₂的富锂固溶体正极材料。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为170mAh/g。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

实施例4

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、锡离子、乙酸的摩尔比为1.5 : 0.25 : 0.575 : 0.15 : 0.075：1分别称取氢氧化锂与碱式碳酸锂重量比1:9的混合物、碳酸镍与碱式碳酸镍重量比1:5的混合物、碱式碳酸锰、草酸钴、硝酸锡、乙酸。

将称取的碳酸镍与碱式碳酸镍重量比1:5的混合物、碱式碳酸锰、草酸钴和硝酸锡混合得到混合物1，加入混合物1总重量的15%的聚丙烯酰胺得到混合物2；加入混合物2总体积的15倍体积的蒸馏水，再加入乙酸，采用超能球磨机湿磨混合3小时，再加入氢氧化锂与碱式碳酸锂重量比1:9的混合物，采用超能球磨机湿磨混合3小时得到前驱物1；将前驱物1在280℃下，于10132Pa压力的真空中干燥，制备得到干燥的前驱物2；将前驱物2置于氧气体积占30%的富氧空气气体气氛中,在300℃烧结3小时,冷却至室温制得母体预烧料；将母体预烧料粉碎及过200目筛，置于空气气氛中,在800℃烧结3小时，制备组成为0.50 Li₂MnO₃•0.50 Li[Ni_0.50Mn_0.15Co_0.30Sn_0.15]O₂的富锂固溶体正极材料。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为217mAh/g。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

实施例5

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、铜离子、甲酸的摩尔比为1.30 : 0.35 : 0.587 : 0.035 : 0.035、0.60分别称取碳酸锂与氢氧化锂重量比9:1的混合物、碳酸镍、碱式碳酸锰、碳酸钴与碱式碳酸钴重量比1:1的混合物、碳酸铜、甲酸。

将称取的碳酸镍、碱式碳酸锰、碳酸钴与碱式碳酸钴重量比1:1的混合物、碳酸铜混合得到混合物1，加入混合物1总重量25%的淀粉得到混合物2；加入混合物2的总体积的5倍体积的甲醛，加入甲酸，采用湿磨机湿磨混合8小时，再加入碳酸锂与氢氧化锂重量比9:1的混合物，采用湿磨机湿磨混合3小时得到前驱物1；将前驱物1在280℃，于10Pa压力下真空干燥，制备前驱物2；将前驱物2置于氧气体积含量99%的富氧空气气体气氛中,在300℃烧结3小时 ,冷却至室温制得母体预烧料；将母体预烧料粉碎及过50目筛，置于纯氧气氛中,接着置于800℃烧结3小时,制得组成为0.30 Li₂MnO₃•0.70 Li[Ni_0.50Mn_0.41Co_0.05Cu_0.05]O₂的富锂固溶体正极材料。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为228mAh/g。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

实施例6

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、铁离子、乙酸的摩尔比为1.40 : 0.30 : 0.646 : 0.03 : 0.06:0.70 分别称取氢氧化锂、碱式碳酸镍、碱式碳酸锰、草酸钴和三氯化铁。

将称取的碱式碳酸镍、碱式碳酸锰、草酸钴和三氯化铁混合得到混合物1，加入混合物1总重量10%的聚丙烯酰胺得到混合物2；加入混合物2总体积的5倍体积的丙酮，加入乙酸，用普通球磨机湿磨混合8小时，再加入氢氧化锂，用普通球磨机湿磨混合9小时得到前驱物1；将前驱物1在190℃下于100Pa压力的真空中干燥，制备前驱物2；将前驱物2置于纯氧气氛中,在450℃烧结12小时,接着置于1050℃烧结3小时,制备组成为0.40 Li₂MnO₃•0.60 Li[Ni_0.50Mn_0.41Co_0.05Fe_0.10]O₂的富锂固溶体正极材料。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为230mAh/g。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

实施例7

按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、铁离子、乙酸的摩尔比为1.40 : 0.30 : 0.646 : 0.03 : 0.06:0.70 分别称取氢氧化锂、碳酸镍、碱式碳酸锰、草酸钴和三氯化铁。

将称取的碳酸镍、碱式碳酸锰、草酸钴和三氯化铁混合得到混合物1，加入混合物1总重量15%的柠檬酸得到混合物2；加入混合物2总体积的15倍体积的丙酮，加入乙酸，用普通球磨机湿磨混合8小时，再加入氢氧化锂，用普通球磨机湿磨混合9小时得到前驱物1；将前驱物1在190℃下于100Pa压力的真空中干燥，制备前驱物2；将前驱物2置于纯氧气氛中,在450℃烧结12小时,接着置于950℃烧结3小时,制备组成为0.40 Li2MnO3•0.60 Li[Ni0.50Mn0.41Co0.05Fe0.10]O2的富锂固溶体正极材料。样品在50℃下，在4.6至2.5V电压区间，1C倍率电流下放电容量为190mAh/g。

与其它发明方法相比,本发明的原料成本较低,原料来源广泛,制备过程简单,耗时少,制备的电极材料组成均匀,具有优秀的放电性能,特别是在大电流条件下放电的循环性能佳,为产业化打下良好的基础。

Claims (10)

1.加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于制备过程由以下步骤组成:

(1)按照锂离子、镍离子、锰离子、钴离子、M离子的摩尔比为(1+ x) : (1-x)· y : (x+z-x·z) : (1-x) ·k : (1-x) ·q分别称取锂的化合物、镍的化合物、锰的化合物、钴的化合物和M化合物；按照下列摩尔比例关系量取有机弱酸：(x+z-x·z)≤ 有机弱酸摩尔数≤1; x、y、z、k的取值范围同时满足以下关系：0.25≤x≤0.50, 0.05≤y≤0.50, 0.15≤z≤0.51, 0.02≤q≤0.15, 0.05≤k≤0.30，-0.10≤（2·(1-x）·y + 4·(x+z-x·z) + 3·(1-x) ·k + 2·(1-x) ·q – 3 - x) ≤0.10；

(2)将称取的镍的化合物、锰的化合物、钴的化合物和M化合物混合得到混合物1，加入混合物1总重量的1%至25%的碳的化合物得到混合物2；加入混合物2的总体积的1/10倍至15倍体积的湿磨介质，加入有机弱酸，湿磨混合3小时～15小时，再加入锂的化合物，湿磨混合3小时～15小时得到前驱物1；将前驱物1用真空干燥或喷雾干燥的方法制备得到干燥的前驱物2；将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中,采用两段烧结法或者两次分段烧结法制备理论组成为xLi₂MnO₃•(1-x)Li[Ni_yMn_zCo_kM_q]O₂的富锂固溶体正极材料；

所述的两次分段烧结法如下进行:将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中，在300℃～550℃温度区间的任一温度烧结3小时～15小时,冷却至室温制得母体预烧料；将母体预烧料粉碎及过筛，再次置于空气、富氧气体或纯氧气氛中,在800℃～1050℃温度区间的任一温度烧结3小时～24小时,制备富锂固溶体正极材料；

所述的两段烧结法如下进行:将前驱物2置于空气、富氧气体或纯氧气氛中，在300℃～550℃温度区间的任一温度烧结3小时～15小时,接着置于另一空气、富氧气体或纯氧气氛的烧结炉中，于800℃～1050℃温度区间的任一温度烧结3小时～24小时,制备富锂固溶体正极材料。

2.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的有机弱酸为氨基乙酸、一氯乙酸、甲酸或乙酸。

3.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的镍的化合物为碳酸镍或碱式碳酸镍，或碳酸镍与碱式碳酸镍的任意比例的混合物。

4.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的锰的化合物为碳酸锰或碱式碳酸锰，或碳酸锰与碱式碳酸锰的任意比例的混合物。

5.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的钴的化合物为碳酸钴、草酸钴或碱式碳酸钴，或碳酸钴与碱式碳酸钴的任意比例的混合物。

6.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的M化合物为亚铁、铁、铜或锡的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐或氯化物。

7.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的碳的化合物为葡萄糖、蔗糖、聚丙烯、聚丙烯酰胺、柠檬酸、聚乙烯醇或淀粉的一种。

8.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的真空干燥是将前驱物1在80℃～280℃温度区间的任一温度，在介于10Pa ～ 10132Pa压力范围的任意压力的真空中干燥，制备前驱物2；所述的喷雾干燥是在110℃～280℃温度区间的任一温度，采用喷雾干燥机制备干燥的前驱物2。

9.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的湿磨介质为去离子水、蒸馏水、乙醇、丙酮、甲醇或甲醛；所述的富氧气体是氧气体积含量大于21%且小于100%之间的气体。

10.根据权利要求1所述的加碳化合物制备掺杂富锂固溶体正极材料的方法,其特征在于所述的湿磨的设备包括普通球磨机、超能球磨机或湿磨机；所述的锂的化合物为碳酸锂、氢氧化锂或碱式碳酸锂，或其任意比例的混合物。

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