CN115611322A - 一种富锂锰基正极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种富锂锰基正极材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富锂锰基正极材料及其制备方法和应用,具体包括以下步骤:步骤一:将球形前驱体MeCO3和Li源按比例混合均匀,得到混合物;步骤二:将混合物在空气或氧气气氛下,先以1‑3℃/min的速率升温至300‑400℃保温4‑6h,然后以3‑5℃/min的速率升温至850~950℃条件下保温6~10h,再以1‑3℃/min的速率降温至500~600℃条件下保温3~5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料;其中,Me由Ni、Co、Mn组成,Ni:Co:Mn=a:b:c,且0≤a≤0.2,0≤b≤0.2,0.6≤c≤1,a+b+c=1。本发明提供的一种一种富锂锰基正极材料及其制备方法具有工艺简单,成本低,且能根本上解决材料的缺陷且改善效果明显等优点。

Description

一种富锂锰基正极材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及富锂锰基正极材料技术领域,具体涉及一种富锂锰基正极材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池的出现改变了人们的生活方式,这种重量轻、可再充电且功能强大的电池,如今被用于从手机到电动汽车的各个领域。它还可以储存大量来自太阳能和风能的能源,使一个无化石燃料的社会成为可能。可以说,锂离子电池的出现极大的改善了我们的生活质量,但也是因为这个原因,人们对于电池的要求越来越高,当前的锂离子电池的性能要求比如容量、安全性、循环次数等还没有达到人们的预期,研发下一代电池是人们翘首以盼的事情。
而富锂锰基正极材料最可能是下一代电池材料的选择,现有的富锂锰基正极材料多采用液相掺杂、包覆等手段改善材料的性能,但其存在以下问题:
1、工艺更复杂,增加了制造成本;
2、没有从结构上根本解决材料的缺陷,改善的效果不明显。
因此,有必要研发一种工艺简单,成本低,且能根本上解决材料的缺陷且改善效果明显的富锂锰基正极材料及其制备方法。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足,本发明提供一种富锂锰基正极材料及其制备方法和应用,具有工艺简单,成本低,且能根本上解决材料的缺陷且改善效果明显等优点。
为了达到上述目的,本发明提供富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤一:将球形前驱体MeCO3和Li源按比例混合均匀,得到混合物;
步骤二:将混合物在空气或氧气气氛下,先以1-3℃/min的速率升温至300-400℃保温4-6h,然后以3-5℃/min的速率升温至850~950℃条件下保温6~10h,再以1-3℃/min的速率降温至500~600℃条件下保温3~5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料;
其中,Me由Ni、Co、Mn组成,Ni:Co:Mn=a:b:c,且0≤a≤0.2,0≤b≤0.2,0.6≤c≤1,a+b+c=1。
依照本发明的一个方面,所述Li源中的Li与前驱体中的Me的摩尔比为1.3-1.5。
依照本发明的一个方面,所述Li源为Li2CO3
基于同一发明构思,本申请还公开了上述任一所述的富锂锰基正极材料的制备方法制备得到的富锂锰基正极材料。
基于同一发明构思,本申请还公开上述任一所述的富锂锰基正极材料的制备方法制备的富锂锰基正极材料或上述所述的富锂锰基正极材料的应用,具体为将其作为锂离子电池正极材料用于制备锂离子电池。
本发明的有益效果:
(1)本申请的球形前驱体MeCO3和Li源混合形成的混合物后,先以1-3℃/min的速率升温至300-400℃保温4-6h,目的在于促使MeCO3先在低温下缓慢分解成活性较强的Mn2O3,避免了升温速率过快颗粒破裂,或保温温度过高易生成低活性的Mn3O4
(2)最后以1-3℃/min的速率降温至500~600℃条件下保温3~5h,目的在于退火处理,进一步优化材料表面结构,提高循环性能;
(3)在使用Cu-Kα射线的粉末X射线衍射图中,所得富锂锰基材料具有以下特点:FWHM003<0.15°,FWHM020>0.5°,且I003/I020>40。
(4)本申请制得的富锂锰基正极材料为规则的球形颗粒,且制成电池后,能从根本上解决富锂锰基正极材料的缺陷且改善电池容量、倍率和循环等性能效果明显。
附图说明
图1为实施例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料的SEM图;
图2为对比例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料的SEM图;
图3为实施例1和对比例2制得的LixMeO2富锂锰基正极材料的XRD图。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解,下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。除非另有定义,下文所用专业术语和本领域专业技术人员所理解的含义一致;除非特殊说明,本文所涉及的原料、试剂均可从市场购买,或通过公知的方法制得。
实施例1
(1)将球形前驱体MeCO3和Li2CO3(Li源)按照Li/Me=1.4的摩尔比混合均匀。
(2)将混合物在空气或氧气气氛下,先以1.5℃/min的速率升温至350℃保温6h;然后以5℃/min的速率升温至900℃条件下保温10h;再以3℃/min的速率降温至500℃条件下保温5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料。
其中Me中的Ni:Co:Mn为0.18:0.05:0.75。
对比例1
(1)将球形前驱体MeCO3和Li2CO3(Li源)按照Li/Me=1.4的摩尔比混合均匀。
(2)将混合物在空气或氧气气氛下,先以5℃/min的速率升温至350℃保温6h;然后以5℃/min的速率升温至900℃条件下保温10h;再以3℃/min的速率降温至500℃条件下保温5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料。
其中Me中的Ni:Co:Mn为0.18:0.05:0.77。
对比例2
(1)将球形前驱体MeCO3和Li2CO3(Li源)按照Li/Me=1.4的摩尔比混合均匀。
(2)将混合物在空气或氧气气氛下,以5℃/min的速率升温至900℃条件下保温10h;再以3℃/min的速率降温至500℃条件下保温5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料。
其中Me中的Ni:Co:Mn为0.18:0.05:0.77。
对比例3
(1)将球形前驱体MeCO3和Li2CO3(Li源)按照Li/Me=1.4的摩尔比混合均匀。
(2)将混合物在空气或氧气气氛下,先以1.5℃/min的速率升温至350℃保温6h;然后以5℃/min的速率升温至900℃条件下保温10h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料。
其中Me中的Ni:Co:Mn为0.18:0.05:0.77。
对比例4
(1)将球形前驱体MeCO3和Li2CO3(Li源)按照Li/Me=1.2的摩尔比混合均匀。
(2)将混合物在空气或氧气气氛下,先以1.5℃/min的速率升温至350℃保温6h;然后以5℃/min的速率升温至900℃条件下保温10h;再以3℃/min的速率降温至500℃条件下保温5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料。
其中Me中的Ni:Co:Mn为0.18:0.05:0.77。
性能检测
将实施例1和对比例1-4制得的LixMeO2富锂锰基正极材料制成扣式电池,并对对应的扣式电池进行性能检测,具体性能检测数据如下表1所示:
表1实施例1和对比例1-4制得的LixMeO2富锂锰基正极材料制成扣式电池性能数据表
Figure BDA0003838576020000041
Figure BDA0003838576020000051
将实施例1和对比例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料进行扫描电镜分析,如图1为实施例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料的SEM图,由图1可知,实施例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料为规则的球形颗粒;如图2为对比例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料的SEM图,由图2可知,对比例1制得的LixMeO2富锂锰基正极材料为的球形颗粒且球形颗粒破裂严重,由图1和图2对比可知,对比例1球形颗粒破裂严重,说明快的升温速率导致了颗粒在低温段分解过程中发生了破裂,从表1的扣式电池性能数据可以看出,破裂后材料的循环性能明显降低。
将实施例1和对比例2制得的LixMeO2富锂锰基正极材料进行XRD检测,如图3为实施例1和对比例2制得的LixMeO2富锂锰基正极材料的XRD图,XRD特征峰中,可以理解为003峰与LiMeO2相对应,020峰与Li2MnO3相对应,特征峰的半高宽值FWHM代表物相的强弱,两峰强比值与两物相含量占比有一定对应关系。由图3可知,对比例2的XRD出现尖晶石的杂相,且006/012峰和018/110峰分裂程度低,说明没有经过低温平台烧结后,层状结构结晶度偏低。从表1的数据也可以看出,对比例2的003峰强降低,020峰强增强,象征两相占比的I003/I020值减小,导致电性能的容量、倍率和循环性能均明显降低。
由表1还可知,实施例1与对比例3差别在于对比例3在降温过程中没有经过退火处理,表面结构稳定性较实施例1略差,导致电化学性能降低。实施例1与对比例4的差别在于对比例4采用Li/Me=1.2,一般认为Mn摩尔比含量大于0.5的材料体系需要更多的Li来稳定层状结构,否则容易形成尖晶石结构,因此对比例4的I003/I020值明显减小,电性能最差。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤一:将球形前驱体MeCO3和Li源按比例混合均匀,得到混合物;
步骤二:将混合物在空气或氧气气氛下,先以1-3℃/min的速率升温至300-400℃保温4-6h,然后以3-5℃/min的速率升温至850~950℃条件下保温6~10h,再以1-3℃/min的速率降温至500~600℃条件下保温3~5h,制得LixMeO2富锂锰基正极材料;
其中,Me由Ni、Co、Mn组成,Ni:Co:Mn=a:b:c,且0≤a≤0.2,0≤b≤0.2,0.6≤c≤1,a+b+c=1。
2.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于,所述Li源中的Li与前驱体中的Me的摩尔比为1.3-1.5。
3.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于,所述Li源为Li2CO3
4.一种富锂锰基正极材料,其特征在于,由权利要求1-3任一所述的富锂锰基正极材料的制备方法制备得到。
5.根据权利要求1-3任一所述的富锂锰基正极材料的制备方法制备的富锂锰基正极材料或权利要求4所述的富锂锰基正极材料的应用,其特征在于,具体为将其作为锂离子电池正极材料用于制备锂离子电池。
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