CN106745332A - 燃烧法快速制备纳米尖晶石型镍锰酸锂材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属氧化物纳米材料和锂离子电池技术领域，具体为一种燃烧法纳米尖晶石型镍锰酸锂材料的快速制备方法。具体是将按顺序分别称取醋酸锂、醋酸镍和醋酸锰固体放于坩锅中，镍盐置于中间层，加热使物料熔融沸腾自然混合均匀，直至发生燃烧反应，冷却得到燃烧产物，再将燃烧产物焙烧保温，冷却得到纳米尖晶石型镍锰酸锂LiNi0.05Mn1.95O4材料。本发明采用的燃烧法制备纳米尖晶石型镍锰酸锂材料具有操作简单、合成速度快、成本低廉和易于实现规模化生产的特点。

Description

燃烧法快速制备纳米尖晶石型镍锰酸锂材料
技术领域
本发明属于金属氧化物纳米材料和锂离子电池技术领域，具体为燃烧法快速制备纳米尖晶石型镍锰酸锂材料。尖晶石型镍锰酸锂颗粒粒径为50 nm~ 90 nm，均匀性好、结晶性好，具有尖晶石型八面体结构，有利于产品的工业化技术推广。
背景技术
目前，市售的锂离子电池正极材料LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2均是通过高温固相反应法合成的，采用的原料为Co、Ni、Mn的氧化物和Li2CO3、LiOH粉末，粉末粒度在5~10 µm，存在原料粉末混合不均匀，导致合成产物成分和粒度均匀性差，粉末粒度较大且分布不均匀，充放电及循环性能不理想等问题，特别是合成反应过程需要在高温（＞900 ℃）下长时间（长达20h）才能完成，导致生产工艺的能耗过高、生产效率偏低。
纳米材料在锂嵌入脱出过程中，其电化学、晶体结构、颗粒形貌、物理性质方面都表现出特殊的行为，均与其本征性质有关。作为正极材料，由于离子扩散路径短，表面积较大，晶界区域大大增加，在动力学上具有明显的优势。对于充放电过程中体积变化较大的电极，纳米材料本身体积变化较小，而且具有较好的塑性和蠕变性，可以大大减轻电极的粉化问题。相对于尺寸较大的正极材料，具有比表面积大，离子扩散路径短，很适合于锂离子又快又稳定的嵌入和脱嵌，大的表面积能降低局部电流密度，从而循环特性明显地得到改善。
中国发明专利申请公开号 CN 103647069 A公开了一种甘氨酸法合成LiMn2O4纳米材料。具体地实验步骤是配制醋酸锂饱和水溶液，在15 ~ 35 ℃缓慢搅拌下加入甘氨酸饱和溶液，再按锂锰摩尔比1 ~ 3 : 4加入饱和乙酸锰溶液，用NH4OH调节溶液的pH值为5 ~6，然后升温在50 ~ 75 ℃的恒温水浴锅加热2.5小时，凝胶在真空干燥箱中干燥得到前驱体，然后将前驱体转入电炉中，在380 ℃预处理12小时，然后分别在450 ℃和650 ℃下煅烧3个小时得到产品。该发明的有益效果为：甘氨酸法合成的尖晶石LiMn2O4颗粒小，均匀性好，无团聚现象，粒子多为圆形，甘氨酸法合成的尖晶石LiMn2O4具有好的循环稳定性。
中国发明专利申请公开号 CN 103066270 A公开了一种纳米尖晶石型LiMn2O4的制备方法。包括如下步骤：将硝酸锂、硝酸锰均匀混合，配成总阳离子浓度为0.1 ~ 1.0 molL-1的母液，将混合液在超重力场中进行反应，并控制超重力反应器转子转速在400 ~ 2200rpm，优选800 ~ 1500 rpm，然后加入碳酸铵溶液；加入的碳酸铵溶液与上述混合液反应得到悬浊液；混合液不断循环直至反应完全；将所得悬浊液经过滤、干燥得到纳米尖晶石型LiMn2O4的前驱体；将得到的纳米尖晶石型LiMn2O4的前驱体进行煅烧，得到纳米尖晶石型LiMn2O4。该方法具有工艺简单，成本低廉，合成时间短等特点，同时制备的尖晶石型LiMn2O4粒径可控，可快速批量生产。
然而，采用燃烧法快速制备纳米尖晶石型镍锰酸锂正极材料还未见报道。本发明在较低温度下通过加热原料熔融沸腾达到自混合，并发生燃烧反应，只需保温3 h即可得到具有八面体的尖晶石型镍锰酸锂正极材料，颗粒尺寸为50 nm~ 90 nm，颗粒大小均匀和结晶性较好。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种燃烧法快速制备结晶性好的纳米尖晶石型镍锰酸锂正极材料。
本发明的技术方案如下：本发明采用醋酸锂、醋酸锰和醋酸镍为反应物，预先把马弗炉加热到设置的温度恒温，再把装有原料的坩埚放入马弗炉中，进行燃烧反应和焙烧，将物料加热燃烧反应1 h后，冷却到室温并研磨得到燃烧产物，将燃烧产物焙烧3 h，冷却即得到尖晶石型镍锰酸锂正极材料，具体合成步骤如下：
燃烧法快速制备纳米尖晶石型镍锰酸锂材料，其特征在于：以Li:Ni:Mn摩尔比1.0~1.04:x:2-x，其中x=0.02~0.15，按顺序分别称取固体锂盐、镍盐和锰盐分层放于同一坩锅中，镍盐置于中间层，将此坩锅放入预热恒温马弗炉中加热使物料熔融沸腾自然混合均匀，直至发生燃烧反应并保温共计1 h，取出冷却得到燃烧产物，研磨后再放入预热恒温的马弗炉中焙烧保温3 h，取出冷却得到纳米尖晶石型镍锰酸锂材料。
所述锂盐、镍盐和锰盐选用低熔点且包含有机酸根的盐作为原料和燃料。锂盐为醋酸锂，镍盐为醋酸镍，锰盐为醋酸锰。
所述预热恒温马弗炉的燃烧反应温度为400 ℃。
所述预热恒温的焙烧温度为600 ℃，取出冷却得最终产品。
所述尖晶石型镍锰酸锂的颗粒大小为50 ~ 90 nm。
附图说明
图1是本发明在实施例1中得到的LiNi0.05Mn1.95O4的SEM图。
图2是本发明在实施例1中得到的LiNi0.05Mn1.95O4的TEM图。
图3是本发明在实施例1中得到的LiNi0.05Mn1.95O4的HR-TEM图。
具体实施方式
实施例1
称取醋酸锂1.6909 g，醋酸镍0.2062 g和醋酸锰7.9212 g按顺序分别放置于300 mL坩锅中，然后将坩锅放入预热恒温400 ℃马弗炉中加热发生燃烧反应，燃烧反应1h后，取出冷却至室温得到燃烧产物，研磨后，放入300mL的坩埚中，再在预热恒温 600 ℃的马弗炉进行焙烧保温3 h，取出冷却，得最终产品。

Claims (6)

1.燃烧法快速制备纳米尖晶石型镍锰酸锂材料，其特征在于：以Li:Ni:Mn摩尔比1:x:2-x，其中x=0.02~0.10，按顺序分别称取固体锂盐、镍盐和锰盐分层放于同一坩锅中，镍盐置于中间层，将此坩锅放入预热恒温马弗炉中加热使物料熔融沸腾自然混合均匀，直至发生燃烧反应并保温共计1 h，取出冷却得到燃烧产物，研磨后再放入预热恒温的马弗炉中焙烧保温3 h，取出冷却得到纳米尖晶石型镍锰酸锂材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选用低熔点且包含有机酸根的锂盐、镍盐和锰盐作为原料和燃料；所述锂盐优选为醋酸锂，所述镍盐优选为醋酸镍，所述锰盐优选为醋酸锰。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热恒温马弗炉的燃烧反应温度为300~600 ℃，燃烧反应温度别优选为400 ℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热恒温的焙烧温度为400~700 ℃，焙烧温度优选为600 ℃和3 h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，尖晶石型镍锰酸锂的颗粒大小为50 ~ 90nm。
6.根据权利要求1所述的方法，所述镍锰酸锂的分子式为LiNi0.05Mn1.95O4。
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