CN1783549A - 锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法，属于锂电池领域。本发明使用更利于高温固相反应的高温旋转反应烧结法，同时装料炉体在材料反应过程中可以以不同的速度旋转并进行搅拌，使合成材料受热更加均匀，从而使反应更加均匀。这不仅使合成的时间和温度大幅度减少，因此简化工序，降低成本，同时更重要的是大大提高了LiMn2O4为正极材料的物理和电化学性能，使采用以LiMn2O4为正极材料的锂离子电池的电化学性能有了大幅度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法，属于锂离子电池领域。
背景技术
随着科技的发展，锂离子电池的性能指标仍在不断提高，新的应用对电池提出了更高的要求。材料的进步是电池性能和价格比提高的基础，相关材料的研究进展已为锂离子电池的进一步发展创造了广阔的空间。目前，锂离子电池负极材料的性能水平已相当高，目前高性能的负极材料比容量可高达到350mAh/g，甚至更高。而正极材料的电容量却远远达不到这一水平，因此，只有进一步提高正极材料的电容量，使其和负极材料相互匹配，才能最终使电池整体的容量得到真正的提高。
目前钴、镍、锰的氧化物LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4三大系列材料是锂离子电池正极材料的主要产品。但由于在原材料价格、合成方法及使用条件等方面存在着很多的问题，LiCoO2和LiNiO2正极材料的应用受到了很大的限制。
最近几年来，LiMn2O4系列材料受到了世界各国研究人员的广泛关注和青睐，原因在于其资源丰富、合成成本低、工作电压高(3.8V)、无环境污染、且用其做成的动力锂离子电池耐过充电、安全性好。但是，到目前为止作为锂离子动力电池正极材料LiMn2O4的合成还存在着很多问题。目前，很多研究人员使用溶胶-凝胶法、Pechini法、共沉淀法以及熔渗法和Combustion法来进行改性处理，虽然取得了一定的效果，但由于工艺复杂，因此成本很高且很难实现产业化。目前更多的人则通过阴阳离子掺杂对LiMn2O4进行改性。但这样做的结果是，同时也降低了LiMn2O4正极材料的比容量。因此，总体效果并不是很好。
传统的高温固相法合成LiMn2O4虽工艺简单，成本低，但合成过程中存在着很多问题。特别是产业化合成LiMn2O4正极材料，普通的固相高温反应方法必将引起反应过程中的温度不均导致反应不均匀，这就使合成的时间长和温度高。为了克服这些不利因素，就必须增加工序，但这样的结果必然导致成本更高，且更重要的是降低了LiMn2O4为正极材料的物理和电化学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服传统高温固相法的不足，提供一种能简化工序、降低成本，同时能大幅度提高锂离子电池电化学性能的锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法。
本发明的技术方案是：将混合均匀的反应原材料装入反应旋转炉中在500℃～800℃的温度下保温5h～30h，然后冷却至室温。装料炉体在材料反应过程中根据需要以0＜n＜60转/分的速度旋转或者变速旋转，反应完成后，用电机傾炉倒料，而后进行筛分得到所需要的粒度分布。
通过采用旋转加热法，使合成材料受热更加均匀，从而使反应更加均匀，反应一次完成；这不仅使合成的时间和温度大幅度减少，进而有效降低成本，同时更重要的是大幅度地提高了LiMn2O4为正极材料的物理和电化学性能，使采用以LiMn2O4为正极材料的锂离子电池的电化学性有了大幅度的提高。
具体实施方式
下面进一步说明本发明的实施例和与传统方法对比后的效果。
将筛分好的碳酸锂和MnO2及微量添加剂在混料机上进行混料。经5小时混料后，观察混料均匀后取出并直接加入反应旋转炉中。随炉升温至700℃温度下保温反应10h。装料炉体在材料反应过程中先以20转/分再以40转/分的速度旋转，反应完成后，用电机傾炉倒料。而后进行筛分得到所需要的粒度分布。合成的材料经X-ray衍射分析可知，在700℃温度下保温反应10h后，材料完全为单一的典型的LiMn2O4晶体结构。晶型结构完整，无其他相存在。扫描电镜观察为均一的颗粒状形貌。
而将与上述同样成分的筛分好的碳酸锂和MnO2及微量添加剂在混料机上进行混料。经5小时混料后，采用传统隧道窑固相法合成LiMn2O4正极材料经X-ray衍射分析可知，在800℃～950℃温度下保温反应10h～35h后，材料并不是完全为单一的典型的LiMn2O4晶体结构。还有一些其他相存在。为消除这些杂相，只有进行对以上工艺的多次重复，但不能保证完全消除。主要是因为反应方式的不合理引起反应温度的不均导致反应极不均匀，晶型不能充分长大。这就使合成的时间长和温度高，为了克服这些不利因素，就必须增加工序。
将采用旋转法制备的LiMn2O4作为正极材料，金属锂作为负极材料，在充氩气的手套箱中组装电池。其中正极由89wt.％LiMn2O4活性材料，5.5wt.％的乙炔黑和5.5wt.％PVDF混合物压在铝箔上组成，负极采用90wt.％碳微球和10wt.％PVDF混合物压在铜箔上，加入隔膜和电解液。电池在通过电池检测设备进行容量及循环寿命的检测可知，材料的初比容量为126mah/g，库仑效率达95％。循环寿命在室温下1C充电，0.5C放电下，循环350次，容量仍在80％以上。而用传统的固相法合成的LiMn2O4材料其性能却远远低于以上的指标。将传统固相法合成的LiMn2O4材料采用同样的方法和配方组成电池进行检测可知，相同条件下材料的初比容量为108mah/g，库仑效率只有80％。循环寿命在室温下1C充电，0.5C放电下，循环200次，容量在60％以下。
Claims (3)
1、一种锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法，将混合均匀的碳酸锂、MnO2及微量添加剂放入炉中进行高温固相反应，其特征是反应在旋转炉中进行，炉体转速为0＜n＜60转/分，并不断搅拌。
2、按权利要求1所述的锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法，其特征是旋转炉在0＜n＜60转/分范围内变速旋转。
3、按权利要求1所述的锂离子电池正极材料LiMn2O4的合成方法，其特征是反应温度为500℃～800℃。
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| CN102267726A (zh) * | 2010-06-04 | 2011-12-07 | 上海杉杉科技有限公司 | 一种球形锰酸锂的制备方法 |
| CN104617292A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-13 | 湖南省正源储能材料与器件研究所 | 一种高容量球形镍钴铝酸锂正极材料的制备方法 |
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