CN103050693A - 一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法 - Google Patents

一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池正极材料制备技术，尤其是一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法。其特征在于，包括如下步骤：(1)将Mn的化合物、P的化合物、Li的化合物三种原料加入到去离子水中；(2)加入可溶性有机碳源；(3)将所得混合液通过喷雾干燥机喷雾热解后得到物料均匀混合的磷酸锰锂前驱体粉末；(4)以1～3kW加热2～3h。本发明提供了一种制备球形磷酸锰锂正极材料的新方法。通过将原料在溶液中均匀混合分散，然后用喷雾热解的方法进行沉降，保证原材料的均匀混合，制得粒径均匀的一次颗粒纳米级二次颗粒为微米级的球形磷酸锰锂正极材料，能有效提高材料导电性，提高了磷酸锰锂的循环性能和稳定性。

Description

一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料制备技术，尤其是一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法。
背景技术
在锂离子电池中，正极材料是其最重要的组成部分，也是决定锂离子电池性能的关键。磷酸锰锂材料具有4.1V的高电压、空气中稳定、安全性好，环境友好、原料来源广泛等特点，其中，锂、锰、磷都是地球上储量丰富的元素，价格低廉，在锂离子电池的大量使用中可以保持低成本。而且锰化合物在电池行业中使用的历史很长，对锰化合物的处理和回收的经验丰富，不会对环境造成很大的污染，成为当今世界上各国研究的热点。
磷酸锰锂的理论克容量为170mAh/g，且具有4.1V的高电压，正好位于现有电解液体系的稳定电化学窗口，具有潜在的高能量密度的优点。但是磷酸锰锂的电子导电性较磷酸铁锂还要差，研究表明，合成方法对产物结构和性能具有重要的影响，因此，发展新的方法来制备LiMnPO4材料成为改进其性能的重要途径之一。目前常用来制备LiMnPO4的方法主要为传统固相法，此方法简单快捷，但混料不均，原料受热不均匀，产品粒径不均匀，物相纯度受到局限，成本较高能耗大，产品性能较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法，能够得到结晶度均匀的磷酸锰锂从而提高其循环性能和稳定性，并且使得烧结时间大大降低从而节约成本、节能减排。
一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
(1)将Mn的化合物、P的化合物、Li的化合物三种原料按照Mn：Li：PO4=1：1：1的摩尔比加入到去离子水中，其中混合溶液中Mn的摩尔浓度为0.5-3mol/L，搅拌，均匀混合；
(2)向所得混合液中加入质量比为8％～12％可溶性有机碳源，搅拌，均匀混合；
(3)将所得混合液通过喷雾干燥机喷雾热解后得到物料均匀混合的磷酸锰锂前驱体粉末；
(4)将所得磷酸锰锂前驱体粉末装入坩埚中，置于微波烧结炉内，以1～3kW加热2～3h，即得结晶度好、物相均匀的球形磷酸锰锂正极材料。
步骤(1)中Mn的化合物为醋酸锰或其含水化合物，P的化合物为磷酸和磷酸盐中的至少一种，Li的化合物为氢氧化锂和碳酸锂中的至少一种。
步骤(2)中可溶性有机碳源为蔗糖、葡萄糖和聚乙二醇中的至少一种。
步骤(3)中喷雾热解的进口温度为200-250℃，出口温度为100-150℃。
为了解决背景技术中存在的混料不均和烧结中存在的问题，本发明提供了一种制备球形磷酸锰锂正极材料的新方法。通过将原料在溶液中均匀混合分散，然后用喷雾热解的方法进行沉降，保证原材料的均匀混合，制得粒径均匀的一次颗粒纳米级二次颗粒为微米级的球形磷酸锰锂正极材料，能有效提高材料导电性，一方面解决了传统固相法产品粒径一致性差的弊端，得到结晶度均匀的磷酸锰锂，提高了磷酸锰锂的循环性能和稳定性，同时，进行有机碳包覆掺杂，粒径较小，均匀一致，进一步提高材料导电性能，避免了传统方法制备磷酸锰锂后期破碎过程中引入杂质。另一方面通过微波烧结避免电炉烧结合成中物料受热不均匀，同时使得烧结时间大大降低，节约大量电力资源，低碳环保，达到节能减排的目的。
附图说明
图1是实施例1中合成样品的XRD图，可以看出样品的结晶度高，晶相较纯；
图2是实施例1中合成样品的SEM形貌图，为球形颗粒，粒径均匀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，下述实施例仅用于说明本发明，但并不用于限定本发明的实施范围。
实施例1：
1)将醋酸锰、磷酸、氢氧化锂三种原料按照Mn：Li：PO4=1：1：1的摩尔比加入到去离子水，其中混合溶液中Mn的摩尔浓度为1mol/L，搅拌，使其均匀混合。
2)向所得混合液中加入质量比为8％的蔗糖作为有机碳源，搅拌使其均匀混合。
3)将所得混合液通过喷雾干燥机喷雾热解，控制进口温度为220℃，出口温度为120℃，得到物料均匀混合的磷酸锰锂前驱体粉末。
4)所得磷酸锰锂前驱体粉末装入坩埚中，置于微波烧结炉内，以1kW加热3h，即得结晶度好、物相均匀的球形磷酸锰锂正极材料。
本发明通过上述实施例1的样品的形貌如图2所示，颗粒呈球形状态。
实施例2：
1)将醋酸锰、磷酸、氢氧化锂三种原料按照Mn：Li：PO4=1：1：1的摩尔比加入到去离子水，其中混合溶液中Mn的摩尔浓度为1mol/L，搅拌，使其均匀混合。
2)向所得混合液中加入质量比为10％的蔗糖作为有机碳源，搅拌使其均匀混合。
3)将所得混合液通过喷雾干燥机喷雾热解(控制进口温度为220℃，出口温度为120℃)后得到物料均匀混合的磷酸锰锂前驱体粉末。
4)所得磷酸锰锂前驱体粉末装入坩埚中，置于微波烧结炉内，以2kW加热2h，即得结晶度好、物相均匀的球形磷酸锰锂正极材料。
实施例3：
1)将醋酸锰、磷酸、氢氧化锂三种原料按照Mn：Li：PO4=1：1：1的摩尔比加入到去离子水，其中混合溶液中Mn的摩尔浓度为1mol/L，搅拌，使其均匀混合。
2)向所得混合液中加入质量比为12％的蔗糖作为有机碳源，搅拌使其均匀混合。
3)将所得混合液通过喷雾干燥机喷雾热解(控制进口温度为220℃，出口温度为120℃)后得到物料均匀混合的磷酸锰锂前驱体粉末。
4)所得磷酸锰锂前驱体粉末装入坩埚中，置于微波烧结炉内，以3kW加热1h，即得结晶度好、物相均匀的球形磷酸锰锂正极材料。

Claims (4)

1.一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将Mn的化合物、P的化合物、Li的化合物三种原料按照Mn：Li：PO4=1：1：1的摩尔比加入到去离子水中，其中混合溶液中Mn的摩尔浓度为0.5-3mol/L，搅拌，均匀混合；
(2)向所得混合液中加入质量比为8％～12％可溶性有机碳源，搅拌，均匀混合；
(3)将所得混合液通过喷雾干燥机喷雾热解后得到物料均匀混合的磷酸锰锂前驱体粉末；
(4)将所得磷酸锰锂前驱体粉末装入坩埚中，置于微波烧结炉内，以1～3kW加热2～3h，即得结晶度好、物相均匀的球形磷酸锰锂正极材料。
2.如权利要求1所述的一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法，其特征在于：步骤(1)中Mn的化合物为醋酸锰或其含水化合物，P的化合物为磷酸和磷酸盐中的至少一种，Li的化合物为氢氧化锂和碳酸锂中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法，其特征在于：步骤(2)中可溶性有机碳源为蔗糖、葡萄糖和聚乙二醇中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种制备球形磷酸锰锂正极材料的方法，其特征在于：步骤(3)中喷雾热解的进口温度为200-250℃，出口温度为100-150℃。
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