一种十四面体形纳米锰酸锂的制备方法与流程

本发明涉及一种用作电池正极材料的锰酸锂的制备方法，特别是涉及一种十四面体形的纳米锰酸锂的制备方法。

背景技术：

近年来，各种电子设备飞速发展，对于电池的要求越来越高，而锂离子电池被视作最好的新型能源，大到电动汽车，小到笔记本、手机，都离不开锂电池。

锰酸锂(LiMn₂O₄)由于具有电压高、价格低廉、资源丰富、与环境友好等特点，成为最有前途的锂离子电池正极材料之一，得到广泛的研究与应用。目前，合成锰酸锂的方法主要有高温固相法、熔融浸渍法、水热合成法、溶胶凝胶法、喷雾干燥法等。其中，固相法工艺简单，但是合成反应时间长，产物均一性较差，溶胶凝胶法需要大量有机试剂，环境污染大，而喷雾干燥法等对设备要求较高。现有的制备方法中水热法是应用较为广泛的一种方法。

作为电池正极材料，锰酸锂的电化学性能与材料的制备工艺、晶体结构、晶粒尺寸和形貌等，都有较大的关系。纳米材料是近年来研究的热点，纳米正极材料具有大的比表面积，增大了材料与电解液的接触程度，小粒径也缩短了锂离子固相扩散的路径，都有利于提高材料的功率密度。另外，不同的形貌以及结晶度，也会对电化学性能带来较大的影响，规则的微粒可以减小团聚和粒子架桥现象，降低颗粒堆积填充时的粒子碱洗，进而有利于锂离子电池比容量的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种十四面体形的纳米锰酸锂，作为锂离子电池正极材料时，由于其独特的形貌而有助于提高电池的功率密度和电池比容量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种十四面体形纳米锰酸锂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微波法制备晶种：将可溶性锂化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.05-0.07mol/L的锂离子溶液，将可溶性锰化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.05-0.07mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后再加入浓度为0.1mol/L的尿素水溶液，搅拌得到混合溶液，将上述混合溶液经微波加热，得到晶种溶液；其中，微波加热功率为5kW，频率为2450MHz，时间为2～5分钟，尿素与锂离子的摩尔比为6-8∶1；

(2)锰酸锂的制备：将可溶性锂化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.1-0.3mol/L的锂离子溶液，将可溶性锰化合物溶解于去离子水中形成浓度为0.1-0.3mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后加入步骤(1)得到的晶种溶液充分搅拌，最后再加入0.2mol/L的氨基酸水溶液，放入水热反应釜中在120-150℃下水热反应2～3h，取出反应产物，过滤，洗涤，并在60℃下干燥，得到十四面体形纳米锰酸锂；

其中，步骤(1)和(2)中所述的可溶性锂化合物为硝酸锂或醋酸锂、所述的可溶性锰化合物为硝酸锰或醋酸锰；步骤(2)中所述的氨基酸溶液为L-精氨酸水溶液或L-赖氨酸水溶液，L-精氨酸或L-赖氨酸与锂离子的摩尔比为7-10∶1。

本发明公开的锰酸锂的制备方法，通过两步法制备得产物，其原理如下：

第一步为晶种的制备，即对制备好的反应原料采用微波的方法进行加热得到颗粒细小的晶种。由于选用的微波加热设备频率为2450MHz，原料中的极性分子在其作用下每秒钟变换方向2.45×10⁹次，分子来回转动，与周围分子相互碰撞摩擦，迅速升温，原料中的尿素作为沉淀剂释放出OH^-，与锂离子和锰离子快速反应得到晶种，另一方面，由于微波加热的均匀性并通过控制反应时间以及反应原料的浓度，有效地避免了晶种的长大，得到大量细小的锰酸锂晶种颗粒。

第二步为纳米锰酸锂产物的制备，即利用上一步骤中得到的晶种，与反应原料混合，在常规的水热反应釜中进行反应，得到产物十四面体形的纳米锰酸锂。该步骤在大量细小的晶种作为生长基点的基础上，通过传统的水热法，将原料锂离子和锰离子反应，得到产物纳米级的锰酸锂，其粒径分布均匀。该步骤中，将锂离子和锰离子的浓度适当提高，加快其反应与晶体生长速度，而水溶性的氨基酸L-精氨酸或L-赖氨酸一方面作为具有缓释效果的沉淀剂保证反应的进行，另一方面，L-精氨酸或L-赖氨酸也作为软模板剂，促进锰酸锂晶体结构的发育，形成十四面体形。至于得到十四面体形的机理，发明人猜测可能是由于L-精氨酸或L-赖氨酸的位阻效应，或者是由于其上的基团，如-COOH、-NH₂，与水中氢键、范德华力，共同促进纳米锰酸锂的组装与成形。

本发明得到的十四面体形纳米锰酸锂作为锂离子电池正极材料，由于其特殊的形貌对离子扩散的影响以及对颗粒堆积的影响，提高了功率密度和电池比容量，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例1得到的十四面体形纳米锰酸锂的XRD图；

图2是实施例1得到的十四面体形纳米锰酸锂的SEM图。

具体实施方式

以下为本发明的具体实施方式，用以对本发明进行解释和说明。

实施例1

一种十四面体形纳米锰酸锂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微波法制备晶种：将硝酸锂溶解于去离子水中形成浓度为0.05mol/L的锂离子溶液，将醋酸锰溶解于去离子水中形成浓度为0.05mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后再按照尿素与锂离子的摩尔比为6∶1的比例加入浓度为0.1mol/L的尿素水溶液，搅拌得到混合溶液，将上述混合溶液经微波加热5分钟，得到晶种溶液；其中，微波加热功率为5kW，频率为2450MHz；

(2)锰酸锂的制备：将硝酸锂溶解于去离子水中形成浓度为0.1mol/L的锂离子溶液，将硝酸锰溶解于去离子水中形成浓度为0.3mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后加入步骤(1)得到的晶种溶液充分搅拌，最后再加入0.2mol/L的L-精氨酸水溶液，放入水热反应釜中在150℃下水热反应2h，取出反应产物，过滤，洗涤，并在60℃下干燥，得到十四面体形纳米锰酸锂，其中L-精氨酸与锂离子的摩尔比为8∶1。

图1为制备出的十四面体形纳米锰酸锂的XRD图，与锰酸锂的标准衍射图相比对，可以确定制备出的产物为锰酸锂，且结晶度良好。从图2可以确定，得到的锰酸锂颗粒粒径在600-800nm左右，形貌规整。

实施例2

一种十四面体形纳米锰酸锂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微波法制备晶种：将醋酸锂溶解于去离子水中形成浓度为0.07mol/L的锂离子溶液，将醋酸锰溶解于去离子水中形成浓度为0.07mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后再按照尿素与锂离子的摩尔比为8∶1的比例加入浓度为0.1mol/L的尿素水溶液，搅拌得到混合溶液，将上述混合溶液经微波加热2分钟，得到晶种溶液；其中，微波加热功率为5kW，频率为2450MHz；

(2)锰酸锂的制备：将硝酸锂溶解于去离子水中形成浓度为0.3mol/L的锂离子溶液，将硝酸锰溶解于去离子水中形成浓度为0.3mol/L的锰离子溶液，按照锂离子和锰离子摩尔比为1∶2的比例将两溶液混合并搅拌均匀，然后加入步骤(1)得到的晶种溶液充分搅拌，最后再加入0.2mol/L的L-赖氨酸水溶液，放入水热反应釜中在120℃下水热反应3h，取出反应产物，过滤，洗涤，并在60℃下干燥，得到十四面体形纳米锰酸锂，其中L-精氨酸与锂离子的摩尔比为10∶1。