CN104900866B - 一种微纳层次结构的富锂正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳层次结构的富锂正极材料及其制备方法，所述正极材料的化学式为Li1.2Co0.4 Mn0.4O2，制备步骤如下：一、取醋酸锰和醋酸钴溶解在乙二醇溶液中，通过溶剂热反应得到纳米级球状结构的羧基醇盐固溶体；二、将羧基醇盐固溶体通过高温煅烧生成氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4；三、将氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4与锂盐均匀混合，得到前驱体；四、将前驱体置入马弗炉中高温煅烧，得到具有微纳层次结构的富锂正极材料。本发明所制备的正极材料的一次颗粒为纳米级球状结构，具有Li+扩散路径短、比表面积大与电解质充分接触的优点，有效地提高材料的容量，以及倍率性能，同时二次颗粒为微米级类球状粒子，其表面能低，不易团聚、化学性质稳定，能够很好地维持材料的循环性能。

Description

一种微纳层次结构的富锂正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料合成技术领域，涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、工作电压高、自放电率小等显著优点，其已经在电子设备等领域得到广泛应用，同时也在动力电池领域展崭露头角。
在传统的正极材料中，LiCoO2是目前应用最广泛的正极材料，其在实际充放电时，最多只能脱出50%的Li+离子，当材料过充时，结构就会塌陷，原有的电化学活性便消失，所以实际容量只能达到理论容量的一半。研究发现在合成层状正极材料LiMO2(M = Mn, Ni,Co)时，如果加入过量的Li源和Mn源，就能够生成一类新的层状材料（譬如LiNi1/3Co1/3Mn1/ 3O2和LiNi1/2Mn1/2O2），这样不仅能够降低材料成本和毒性，还能够提高材料的安全性能，但是这类层状结构材料的实际比容量一般很难达到180 mAh/g。另外，商业中应用比较广泛的尖晶石结构正极材料LiMn2O4，Mn2+易溶解于电解液，活性物质损失严重，循环性能也较差。聚阴离子正极材料，如橄榄石结构的LiFePO4，在高倍率充放电条件下，电池容量的衰减很大。
因此，对正极材料的进一步研究可能成为锂离子电池的突破方向。相比于传统的锂离子电池正极材料，富锂材料的优势很大，当充电电压高于4.5V时，某些富锂材料的比容量甚至可以高达250mAh/g，成为很有潜力的新型锂离子电池正极材料。但是同时也必须认识到该材料的首次不可逆容量高，循环性能和倍率性能都有待进一步加强。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳层次结构的富锂正极材料及其制备方法，该方法所制备的正极材料的一次颗粒为纳米级球状结构，具有Li+扩散路径短、比表面积大与电解质充分接触的优点，有效地提高材料的倍率、容量性能，同时二次颗粒为微米级类球状粒子，其表面能低，不易团聚、化学性质稳定，能够很好地维持材料的循环性能。
一种微纳层次结构的富锂正极材料，化学式为Li1.2Co0.4 Mn0.4O2。
一种上述微纳层次结构的富锂正极材料的制备方法，采用溶剂热法制备富锂正极材料，具体制备方法如下：
一、按照摩尔比1:1称取醋酸锰和醋酸钴溶解在乙二醇溶液中，不断搅拌至完全溶解，将溶液转入内衬中，置内衬于高压反应釜中，然后放入烘箱中，温度设置为195~245℃，反应时间设置为6~24 h，待反应釜自然冷却至室温，过滤，收集沉淀，用乙醇清洗若干次，置于烘箱中，温度设置为70~120℃，干燥时间设置为6~24h，得到羧基醇盐固溶体；
二、将步骤一得到的羧基醇盐固溶体A放入马弗炉中，置于空气气氛中，以1~5℃/min升温速率从室温升到500~600℃，烧结时间设置为8~12h，自然冷却后，得到氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4；
三、将步骤二得到的氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4与锂盐按元素含量摩尔比Li:Co:Mn =1.25:0.4:0.4均匀混合，得到前驱体；
四、将前驱体置入马弗炉中，置于空气气氛中，以1~5℃/min升温速率从室温升温至300~500℃，预烧3~8 h，然后以相同升温速率升温至700~900℃，烧结时间设置为6~15 h，得到具有微纳层次结构的富锂正极材料。
上述制备方法中，所述混合方式为液相混合或固相混合。
上述制备方法中，所述煅烧气氛为空气。
上述制备方法中，所述锂盐为醋酸锂、氢氧化锂、硝酸锂、乙醇锂、碳酸锂、甲酸锂中的一种或多种的混合物。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明所制备的正极材料的一次颗粒为纳米级球状结构，具有Li+扩散路径短、比表面积大与电解质充分接触的优点，有效地提高材料的容量，以及倍率性能，同时二次颗粒为微米级类球状粒子，其表面能低，不易团聚、化学性质稳定，能够很好地维持材料的循环性能。
（2）采用本方法合成的富锂正极材料，一次颗粒为纳米级球状结构，直径为100~150nm；同时二次颗粒为微米级类球状粒子，直径为1.5~2μm。
（3）本发明溶剂热工艺简单、操作简单，制备的富锂正极材料具有较高的容量与优异的倍率性能、循环性能。
附图说明
图1是本发明通过溶剂热反应制备羧基醇盐固溶体的机理图；
图2是本发明实施例1制备的羧基醇盐固溶体的放大倍数为20000的SEM图；
图3是本发明实施例1制备的富锂正极材料的放大倍数为20000的SEM图；
图4是本发明实施例1制备的富锂正极材料半电池的首次充放线曲线；
图5是本发明实施例1制备的富锂正极材料半电池的倍率性能曲线；
图6是本发明实施例1制备的富锂正极材料半电池的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
按Mn:Co摩尔比1:1称取适量醋酸锰、醋酸钴，用适量乙二醇搅拌溶解至澄清，将混合溶液转入内衬，置内衬于高压反应釜中，放入195℃的烘箱中，反应时间设置为12 h，待反应釜自然冷却至室温，过滤，收集沉淀，用乙醇清洗若干次，放置于70℃的烘箱中干燥18h，得到得羧基醇盐固溶体。醋酸钴、醋酸锰与乙二醇在195℃反应生成羧基醇盐固溶体的机理图如图1所示。由图2所示羧基醇盐固溶体的扫描电镜图可知，羧基醇盐固溶体为均匀纳米级球状结构，直径在0.8~1.2μm之间。之后，将羧基醇盐固溶体放入马弗炉空气气氛中，以4℃/min升温速率从室温升至500℃烧结8 h，得到氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4。
按元素含量摩尔比Li:Co:Mn =1.25:0.4:0.4称取适量氢氧化锂、氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4，加入乙醇，采用液相混合的方法混锂，磁力搅拌至蒸干；以4℃/min升温速率从室温升至500℃，预烧时间为5 h，再以相同升温速率升至750℃，煅烧时间为10 h，得到富锂正极材料，化学式为Li1.2Co0.4 Mn0.4O2。
本实施例制备的具有微纳结构的富锂正极材料具有均一的结构，如图3所示，具体表现为直径100~150nm的纳米级一次颗粒形成的直径为1.5~2μm微米级类球状结构。对富锂正极材料进行电化学性能测试，将其装配成锂离子半电池，电压设在2.8~4.8V区间，以40mA/g的电流密度活化进行，如图4所示，首次放电比容量可达201.7mAh/g，首次充放电曲线出现了4.5V的平台，可以说明合成材料为富锂材料。之后，将装配成的锂离子半电池进行倍率性能测试，得到的曲线如图5所示，在100、200、500、1000mA/g放电电流下，比容量分别为196、182、173、137 mAh/g；将装配成的锂离子半电池进行循环性能测试，如图6所示，在200mA/g电流密度下，进行100次循环后，放电比容量仍然可达173.98 mAh/g，容量保持率为94.82%。
实施例2：
按Mn:Co摩尔比1:1称取适量醋酸锰、醋酸钴，用适量乙二醇搅拌溶解至澄清，将混合溶液转入内衬，置内衬于高压反应釜中，放入210℃的烘箱中，反应时间设置为16 h，待反应釜自然冷却至室温，过滤，收集沉淀，用乙醇清洗若干次，放置于80℃的烘箱中干燥24h，得到得羧基醇盐固溶体。之后，将羧基醇盐固溶体放入马弗炉空气气氛中，以5℃/min升温速率从室温升至550℃烧结10 h，得到氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4。
按元素含量摩尔比Li:Co:Mn =1.25:0.4:0.4称取适量氢氧化锂、氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4，采用固相球磨法混合均匀；以5℃/min升温速率从室温升至450℃，预烧时间为6 h，再以相同升温速率升至800℃，煅烧时间为10h，得到富锂正极材料，化学式为Li1.2Co0.4 Mn0.4O2。
本实施例制备的具有微纳结构的富锂正极材料具有均一的结构，具体表现为直径100~150nm的纳米级一次颗粒形成的直径为1.5~2μm微米级类球状结构。对富锂正极材料进行电化学性能测试，将其装配成锂离子半电池，电压设在2.8~4.8V区间，以40mA/g的电流密度活化进行，首次放电比容量可达197.7mAh/g；之后，将装配成的锂离子半电池进行倍率性能测试，在100、200、500、1000mA/g放电电流下，比容量分别约为195、183、174、138 mAh/g；100mA/g电流密度下，进行100次循环后，放电比容量仍然可达173.58 mAh/g，容量保持率为93.92%。
实施例3：
按Mn:Co摩尔比1:1称取适量醋酸锰、醋酸钴，用适量乙二醇搅拌溶解至澄清，将混合溶液转入内衬，置内衬于高压反应釜中，放入220℃的烘箱中，反应时间设置为15 h，待反应釜自然冷却至室温，过滤，收集沉淀，用乙醇清洗若干次，放置于80℃的烘箱中干燥24h，得到得羧基醇盐固溶体。之后，将羧基醇盐固溶体放入马弗炉空气气氛中，以3℃/min升温速率从室温升至550℃烧结10 h，得到氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4。
按元素含量摩尔比Li:Co:Mn =1.25:0.4:0.4称取适量锂盐混合物（醋酸锂与硝酸锂的摩尔比为1:1）、氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4，采用固相球磨法混合均匀；以3℃/min升温速率从室温升至500℃，预烧时间为6 h，再以相同升温速率升至800℃，煅烧时间为10h，得到富锂正极材料，化学式为Li1.2Co0.4 Mn0.4O2。
本实施例制备的具有微纳结构的富锂正极材料具有均一的结构，具体表现为直径100~150nm的纳米级一次颗粒形成的直径为1.5~2μm微米级类球状结构。对富锂正极材料进行电化学性能测试，将其装配成锂离子半电池，电压设在2.8~4.8V区间，以40mA/g的电流密度活化进行，首次放电比容量可达206.9mAh/g；之后，将装配成的锂离子半电池进行倍率性能测试，在100、200、500、1000mA/g放电电流下，比容量分别约为194、181、173、132 mAh/g；100mA/g电流密度下，进行100次循环后，放电比容量仍然可达169.58 mAh/g，容量保持率为94.02%。

Claims (3)

1.微纳层次结构的富锂正极材料的制备方法，所述富锂正极材料具有微纳层次结构，一次颗粒为纳米级球状结构，直径为100~150nm；二次颗粒为微米级类球状粒子，直径为1.5~2μm，化学式为Li1.2Co0.4 Mn0.4O2,其特征在于所述方法步骤如下：
一、按照摩尔比1:1称取醋酸锰和醋酸钴溶解在乙二醇溶液中，不断搅拌至完全溶解，将溶液转入内衬中，置内衬于高压反应釜中，然后放入烘箱中，温度设置为195~245℃，反应时间设置为6~24 h，待反应釜自然冷却至室温，过滤，收集沉淀，用乙醇清洗若干次，置于烘箱中，温度设置为70~120℃，干燥时间设置为6~24h，得到羧基醇盐固溶体；
二、将步骤一得到的羧基醇盐固溶体放入马弗炉中，置于空气气氛中，以1~5℃/min升温速率从室温升到500~600℃，烧结时间设置为8~12h，自然冷却后，得到氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4；
三、将步骤二得到的氧化物(Co0.5Mn0.5)3O4与锂盐按元素含量摩尔比Li:Co:Mn =1.25:0.4:0.4均匀混合，得到前驱体；
四、将前驱体置入马弗炉中，置于空气气氛中，以1~5℃/min升温速率从室温升温至300~500℃，预烧3~8 h，然后以相同升温速率升温至700~900℃，烧结时间设置为6~15 h，得到具有微纳层次结构的富锂正极材料。
2.根据权利要求1所述的微纳层次结构的富锂正极材料的制备方法，其特征在于所述锂盐为醋酸锂、氢氧化锂、硝酸锂、乙醇锂、碳酸锂、甲酸锂中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述的微纳层次结构的富锂正极材料的制备方法，其特征在于步骤三中，混合方式为液相混合或固相混合。
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