CN105244475A - 一种复合尖晶石材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种复合尖晶石材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于尖晶石材料的制备领域，公开了一种复合尖晶石材料及其制备方法和应用。该尖晶石材料的化学式为：Li2Co0.6Ni0.4Mn3O8，其制备方法包括以下步骤：1）将硫酸锰、硫酸镍和硫酸钴放入反应釜内衬中，加入水，搅拌使原料溶解；然后加入尿素，搅拌溶解，再加入氢氧化锂，最后加入过硫酸铵反应，搅拌1min；2）然后将反应釜内衬密封后，放入反应釜中，放在烘箱中180-200℃反应12-30小时；3）再经离心洗涤干燥后得到样品，所得样品再经600-800℃退火6-12小时，制得复合尖晶石材料。该尖晶石材料作为锂离子电池正极材料时，具有非常优异的循环稳定性、良好的倍率。

Description

一种复合尖晶石材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于尖晶石材料的制备领域，公开了一种复合尖晶石材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池由于其具有能量密度高、自放电小、工作电压高、循环性能好、环境友好等优点，而广泛应用于移动电话、笔记本电脑、电动车等领域。随着锂离子电池应用领域的扩大，对锂离子电池正极材料也提出了新的要求。自从研究发现某些元素（如Co,Ni,Cr,Cu,Fe）对尖晶石LiMn2O4中的Mn元素进行部分替代，会形成一系列更高电位平台的尖晶石相的电极材料以来，高电压型正极材料由此受到了人们的关注，有望成为新一代锂离子动力电池的首选正极材料。
目前，对于该材料的合成方法主要有高温固相、溶胶凝胶、共沉淀法等。但这些方法操作起来都相对复杂，能耗较高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种复合尖晶石材料及其制备方法和应用。本发明的制备方法简单，能耗低，可制得高结晶度的尖晶石材料；该材料粒度分布均匀，团聚少，分散性好；用于锂离子电池正极材料时，具有非常优异的循环稳定性、良好的倍率。
为实现上述技术方案，本发明采用如下技术方案：
一种复合尖晶石材料，所述的材料其化学式为：Li2Co0.6Ni0.4Mn3O8。
一种制备如上所述的复合尖晶石材料的方法，包括以下步骤：
1）称取0.338-0.507g硫酸锰、0.175-0.263g硫酸镍和0.187-0.281g硫酸钴放入反应釜内衬中，加入10-15mL水，搅拌使原料溶解；然后加入0.5-1.5g尿素，搅拌溶解，再加入2-2.5moL/L的氢氧化锂55-60mL，最后加入1-1.5g过硫酸铵反应，搅拌1min；
2）然后将反应釜内衬密封后，放入反应釜中，放在烘箱中180-200℃反应12-30小时；
3）再经离心洗涤干燥后得到样品，所得样品再经600-800℃退火6-12小时，制得复合尖晶石材料。
一种如上所述的复合尖晶石材料的应用：用于锂离子电池的正极材料。
锂电池组装：按质量比富锂:碳黑:聚偏氟乙烯＝75-85:10-15:5-10，混合研磨后均匀地涂在0.25cm2的铝片上做正极，负极为金属锂，电解质是1MLiPF6的EC+EMC(EC/EMC=1/1v/v)溶液。电池组装均在氩气氛围的手套箱里进行（水及氧的含量均低于0.5ppm）。
本发明的有益效果在于：
1）本发明用简单的水热法一步合成高性能的新型尖晶石材料，其操作简便、能耗小、纯度高、性能优异，可以作为高能量锂离子电池正极材料；
2）该材料粒度分布均匀，团聚少，分散性好；用于锂离子电池正极材料时，具有良好的倍率，以及非常优异的循环稳定性（在电流密度100mAg-1下，经过100次循环比容量可以达到150mAhg-1）。
附图说明
图1是水热制得的样品和经过进一步热处理后的样品的XRD；
图2样品的扫描电镜图（SEM）；
图3是样品在不同电流密度下的放电曲线；
图4是样品在电流密度100mAg-1下的循环性能图；
图5复合尖晶石材料的能谱分析图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
一种复合尖晶石材料的制备方法：
1）首先称取0.400g硫酸锰、0.210g硫酸镍和0.223g硫酸酸钴放入反应釜内衬中，加入12mL水，搅拌使药品溶解，加入1.0g尿素，搅拌溶解，加入2.2moL/L的氢氧化锂58mL，然后加入1.2g过硫酸铵反应，搅拌一分钟（注意不可搅拌太长时间，否则会有杂相生成）；
2）最后将反应釜内衬盖好盖放入反应釜中，放在烘箱中190℃反应20小时；
3）再经离心洗涤干燥后得到样品，所得样品再经700℃退火8小时；
锂电池组装：按质量比富锂:碳黑:聚偏氟乙烯＝80:12:8，混合研磨后均匀地涂在0.25cm2的铝片上做正极，负极为金属锂，电解质是1MLiPF6的EC+EMC(EC/EMC=1/1v/v)溶液。电池组装均在氩气氛围的手套箱里进行（水及氧的含量均低于0.5ppm）。
图1是水热制得的样品和经过进一步热处理后的样品的XRD，从图中可以看出未煅烧之前的XRD有些峰不是太明显，经过煅烧之后显示出明显的尖晶石峰，说明我们经过一步水热法然后煅烧就可合成出高结晶度的尖晶石材料；
对材料进行化学元素分析得到尖晶石材料化学式为Li2Co0.6Ni0.4Mn3O8；
图2为样品的扫描电镜图（SEM），从图中可以看出材料尺寸大概为60-90nm，合成的纳米片非常薄，厚度为20-30nm，颗粒尺寸较小，粒度分布均匀，团聚少，分散性好；
图3是样品在不同电流密度下的放电曲线，从图中可以看出所制备的尖晶石复合材料纳米片具有良好的倍率性能；
图4是样品在电流密度100mAg-1下的循环性能图，经过100次循环比容量可以达到150mAhg-1，可以看出材料有非常优异的循环稳定性。
实施例2
一种复合尖晶石材料的制备方法：
1）首先称取0.338g硫酸锰、0.175g硫酸镍、0.187g硫酸酸钴放入反应釜内衬中，加入10mL水，搅拌使药品溶解，加入1.5g尿素，搅拌溶解，加入2moL/L的氢氧化锂60mL，然后加入1g过硫酸铵反应，搅拌一分钟（主意不可搅拌太长时间，否则会有杂相生成）；
2）最后将反应釜内衬盖好盖放入反应釜中，放在烘箱中180℃反应12小时；
3）再经离心洗涤干燥后得到样品，所得样品再经600℃退火12小时。
实施例3
一种复合尖晶石材料的制备方法：
1）首先称取0.507g硫酸锰、0.263g硫酸镍、0.281g硫酸酸钴放入反应釜内衬中，加入15mL水，搅拌使药品溶解，加入1.5g尿素，搅拌溶解，加入2.5moL/L的氢氧化锂55mL，然后加入1.5g过硫酸铵反应，搅拌一分钟（主意不可搅拌太长时间，否则会有杂相生成）；
2）最后将反应釜内衬盖好盖放入反应釜中，放在烘箱中200℃反应30小时；
3）再经离心洗涤干燥后得到样品，所得样品再经800℃退火6小时。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种复合尖晶石材料，其特征在于：所述的材料其化学式为：Li2Co0.6Ni0.4Mn3O8。
2.一种制备如权利要求1所述的复合尖晶石材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）称取0.338-0.507g硫酸锰、0.175-0.263g硫酸镍和0.187-0.281g硫酸钴放入反应釜内衬中，加入10-15mL水，搅拌使原料溶解；然后加入0.5-1.5g尿素，搅拌溶解，再加入2-2.5moL/L的氢氧化锂55-60mL，最后加入1-1.5g过硫酸铵反应，搅拌1min；
2）然后将反应釜内衬密封后，放入反应釜中，放在烘箱中180-200℃反应12-30小时；
3）再经离心洗涤干燥后得到样品，所得样品再经600-800℃退火6-12小时，制得复合尖晶石材料。
3.一种如权利要求1所述的复合尖晶石材料的应用，其特征在于：用于锂离子电池的正极材料。
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