掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：将锰的化合物在900-1050℃下焙烧3-9小时；将焙烧产物、掺杂元素化合物、锂的化合物通过液相混合，并在加热搅拌下蒸发形成凝胶；用得到的凝胶在700-900℃下进行第二次焙烧，焙烧时间为5-15小时；焙烧产物冷却后进行粉碎分级，得到中值粒径在6-20μm之间的颗粒；将上步骤中的粉碎分级产物再次与锂的化合物混合，并将混合物在600-800℃进行第三次焙烧，焙烧时间为3-10小时；焙烧产物冷却后进行粉碎分级得到得到中值粒径在6-20μm之间的最终产品。该制备方法显著地提高了锰酸锂的高温循环性能和克比容量的发挥，使锰酸锂具有更高的稳定性。
【专利说明】掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锂离子电池正极材料制备方法，尤其涉及一种掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]锂电池是一种绿色动力能源，相对于铅酸电池，具有电压高、能量密度高(300 Wh/kg)、无污染等优点。目前锂离子电池已控制了 3C领域的市场，在做动力方面也取得了瞩目的成绩，尤其是在电动工具方面的成功，而在用量更大的电动车(如电动单车、电动摩托车、电动汽车和大巴)方面和储能方面较为逊色，主要是由于动力电池在对价格和安全方面比较敏感。
[0003]目前主流的锂离子电池所用的正极材料有四种，一是钴酸锂，占据市场最大，但价格高，污染环境，主要应用于3C市场；二是镍钴锰三元材料，性能与钴酸锂接近，在3C市场方面有取代钴酸锂的趋势，而在动力电池最关注的安全性能方面较差；三是磷酸铁锂，由于其大倍率充放电性能差而不合适应用于动力方面；四是锰酸锂，价格低、对环境友好、安全性能优良、大倍率充放电性能好，在做动力方面有很好的前景，但其在高温下锰易溶解在电解液中，从而导致锰酸锂电池的高温循环变差。
[0004]针对以上问题，亟待一种解决锰酸锂电池高温循环恶化的问题的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种解决锰酸锂电池高温循环恶化的问题的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明的技术方案为:提供一种掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤:将锰的化合物在900-1050°C下焙烧3-9小时；将焙烧产物、掺杂元素化合物、锂的化合物通过液相混合，并在加热搅拌下蒸发形成凝胶；用得到的凝胶在700-900°C下进行第二次焙烧，焙烧时间为5-15小时；焙烧产物冷却后进行粉碎分级，得到中值粒径在6-20Mm之间的颗粒；将上步骤中的粉碎分级产物再次与锂的化合物混合，并将混合物在600-800°C进行第三次焙烧，焙烧时间为3-10小时；焙烧产物冷却后进行粉碎分级得到得到中值粒径在6-20Mm之间的最终产品。
[0007]所述最终产品的化学式通式为Li1+xMyMn2_y04，其中0〈x〈0.12，0〈y〈0.1，M元素包括Mg、Al、T1、Cr、Co、N1、Zn、Zr、Pr、Pm 中的一种或几种。
[0008]所述锰的化合物为锰的氧化物、硫酸锰、碳酸锰、柠檬酸锰、氯化锰或醋酸锰中的一种或几种。
[0009]所述锂的化合物为醋酸锂、氢氧化锂或碳酸锂中的一种或几种。
[0010]培烧的气氛均为空气或氧气或者空气与氧气的混合气体,培烧时的升温速率为1-5°C /min。[0011 ] 所述液相混合所用的溶剂为水或者低级醇或者水与低级醇的混合物，溶剂体积为混合物料的2-20倍，加热温度为40_80°C，并于形成凝胶后停止搅拌。
[0012]第一次粉碎分级得到的产品与锂化合物的混合方式为干法混合(即直接将相应的化合物混合起来)，或者湿法混合(即在溶剂中混合)。
[0013]与现有技术相比，本发明掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法显著地提高了锰酸锂的高温循环性能和克比容量的发挥，使锰酸锂具有更高的稳定性。
[0014]通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法的原理框图。
[0016]图2为本发明掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法第一实施例得到的最终产品进行的粉末衍射观测的峰图。
[0017]图3为本发明掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法第一实施例得到的最终产品在扫描电子显微镜下的结构图。
[0018]图4为本发明掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法得到的产品制成电池在蓝电充放电测仪上测其充放电的曲线图。
【具体实施方式】
[0019]参考图1，本发明一种掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤:Si，将锰的化合物在900-1050°C下焙烧3-9小时；s2，将焙烧产物、掺杂元素化合物、锂的化合物通过液相混合，并在加热搅拌下蒸发形成凝胶；s3，用得到的凝胶在700-900°C下进行第二次焙烧，焙烧时间为5-15小时；s4，焙烧产物冷却后进行粉碎分级，得到中值粒径在6-20Mm之间的颗粒；s5，将上步骤中的粉碎分级产物再次与锂的化合物混合，并将混合物在600-800°C进行第三次焙烧，焙烧时间为3-10小时；s6，焙烧产物冷却后进行粉碎分级得到得到中值粒径在6-20Mm之间的最终产品。
[0020]所述最终产品的化学式通式为Li1+xMyMn2_y04，其中0〈x〈0.12，0〈y〈0.1，M元素包括Mg、Al、T1、Cr、Co、N1、Zn、Zr、Pr、Pm 中的一种或几种。
[0021]所述锰的化合物为锰的氧化物、硫酸锰、碳酸锰、柠檬酸锰、氯化锰或醋酸锰中的一种或几种。特别优选锰的氧化物和碳酸锰。
[0022]所述锂的化合物为醋酸锂、氢氧化锂或碳酸锂中的一种或几种。
[0023]培烧的气氛均为空气或氧气或者空气与氧气的混合气体，培烧时的升温速率为1-5°C /min。
[0024]所述液相混合所用的溶剂为水或者低级醇或者水与低级醇的混合物，溶剂体积为混合物料的2-20倍，加热温度为40-80°C，并于形成凝胶后停止搅拌。
[0025]第一次粉碎分级得到的产品与锂化合物的混合方式为干法混合(即直接将相应的化合物混合起来)，或者湿法混合(即在溶剂中混合)。特别优选湿法混合。
[0026]以下将通过具体的实施例，对本发明作出进一步的阐述，但本发明的保护范围不限于以下实施例。[0027]第一实施例:
将二氧化锰放入马弗炉中，在空气气氛下以3°C /min的速度升温到950°C，保温8小时，待自然冷却后取出，用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量；将焙烧产物、氧化锌、氢氧化锂按摩尔比Mn:Zn:Li=l.9:0.1:1.0的比例，在纯水中搅拌混合，在80°C下不断蒸发为凝胶，再将凝胶放入马弗炉中，在空气气氛下以:TC /min的速度升温到700°C，保温15小时，待自然冷却后通过粉碎分级筛选出D50为6-8Mm的粉体；用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量，将上步中的粉碎分级产物与氢氧化锂以摩尔比Mn: Li=2:0.1的比例干法混合，在马弗炉中以3°C /min的速度升温到600°C，保温10小时；待自然冷却后取出，再粉碎分级得到D50为8-10Mm的产品。
[0028]用化学滴定和原子发射光谱测试，本产品最终化学组成为Lii Cl7ZnaWn1.904 ;为了确定产品的晶体结构，对上述产品进行了粉末衍射观测，得到的峰如图1所示，由图2可知本实施例的产品为锰酸锂的尖晶石结构，无杂质峰说明掺杂并未影响到锰酸锂的晶体结构；再对产品在扫描电子显微镜中观察，其呈现出单晶状，表面光滑，如图3所示。
[0029]为了检测本实施例产品的电化学性能，以本实旋例产品:导电剂:粘结剂=90:5:5的比例制成正极片，按照电池制作工艺组装成063048的电池，在蓝电充放电测试仪上测其充放电曲线，如图4所示，克容量为116.3mAh/g，55°C高温循环300周，容量保持85.5%。
[0030]第二实施例:
将二氧化锰放入马弗炉中，在空气气氛下以4°C /min的速度升温到1000°C，保温6小时，待自然冷却后取出，用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量；将焙烧产物、氢氧化铝、氢氧化锂按摩尔比Mn:A1:Li=l.92:0.08:1.0的比例，在纯水中搅拌混合，在80°C下不断蒸发为凝胶，再将凝胶放入马弗炉中，在空气气氛下以4°C /min的速度升温到700°C，保温15小时，待自然冷却后通过粉碎分级筛选出D50为8-10Mm的粉体；用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量，将上步中的粉碎分级产物与氢氧化锂以摩尔比Mn: Li=2:0.1的比例干法混合，在马弗炉中以4°C/min的速度升温到600°C，保温10小时；待自然冷却后取出，再粉碎分级得到D50为8-10Mm的产品。最终产品的化学组成为LiuO6Al0.08Miil92O4,电化学测试克容量为116.8mAh/g，55°C高温循环300周，容量保持86.0%。
[0031]第三实施例:
将碳酸锰放入马弗炉中，在空气气氛下以5°C /min的速度升温到1000°C，保温6小时，待自然冷却后取出，用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量；将焙烧产物、氯化铝、碳酸锂按摩尔比Mn:A1:Li=1.92:0.08:1.0的比例，在乙醇和水(体积比10:90)的合混液中搅拌混合，在60°C下不断蒸发为凝胶，再将凝胶放入马弗炉中，在空气气氛下以3°C /min的速度升温到700°C，保温15小时，待自然冷却后通过粉碎分级筛选出D50为10-16Mm的粉体；用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量，将上步中的粉碎分级产物与氢氧化锂以摩尔比Mn: Li=2:0.1的比例干法混合，在马弗炉中以2°C /min的速度升温到600°C，保温10小时；待自然冷却后取出，再粉碎分级得到D50为12-15Mm的产品。最终产品的化学组成为Lil。08A10.08Mnl.9204，电化学测试克容量为118.8mAh/g，55°C高温循环300周，容量保持88.7%。
[0032]第四实施例:
将碳酸锰放入马弗炉中，在空气气氛下以5°C /min的速度升温到1050°C，保温5小时，待自然冷却后取出，用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量；将焙烧产物、氯化铬、碳酸锂按摩尔比Mn:Cr:Li=1.96:0.04:1.02的比例，在纯水中搅拌混合，在70°C下不断蒸发为凝胶，再将凝胶放入马弗炉中，在空气气氛下以:TC /min的速度升温到900°C，保温6小时，待自然冷却后通过粉碎分级筛选出D50为10-12Mm的粉体；用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量，将上步中的粉碎分级产物与碳酸锂以摩尔比Mn: Li=2:0.08的比例湿法混合(乙酸和水的体积比为1:9)，蒸发干燥后在马弗炉中以2V Mn的速度升温到750°C，保温4小时；待自然冷却后取出，再粉碎分级得到D50为10-12Mm的产品。最终产品的化学组成为Liu7CraCl4Mr^96O4,电化学测试克容量为116.0mAh/g，55 °C高温循环300周，容量保持83.1%。
[0033]第五实施例: 将氯化锰放入马弗炉中，在空气气氛下以5°C /min的速度升温到1050°C，保温5小时，待自然冷却后取出，用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量；将焙烧产物、氯化镁、碳酸锂按摩尔比Mn:Mg:Li=l.95:0.05:1.03的比例，在纯中搅拌混合，在70°C下不断蒸发为凝胶，再将凝胶放入马弗炉中，在空气气氛下以3°C /min的速度升温到850°C，保温12小时，待自然冷却后通过粉碎分级筛选出D50为12_14Mm的粉体；用国际GBT1506-2002中的方法确定产物中锰的含量，将上步中的粉碎分级产物与碳酸锂以摩尔比Mn: Li=2:0.07的比例干法混合，在马弗炉中以3°C/min的速度升温到650°C，保温8小时；待自然冷却后取出，再粉碎分级得到D50为12-14Mm的产品。最终产品的化学组成为Liu07Mg0.05MnL9504,电化学测试克容量为118.1mAh/g，55°C高温循环300周，容量保持83.8%。
[0034]本发明掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法显著地提高了锰酸锂的高温循环性能和克比容量的发挥，使锰酸锂具有更高的稳定性。
[0035]以上结合最佳实施例对本发明进行描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实施例的本质进行的修改、等效组合。
【权利要求】
1.一种掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: a)将锰的化合物在900-1050°C下焙烧3_9小时； b)将焙烧产物、掺杂元素化合物、锂的化合物通过液相混合，并在加热搅拌下蒸发形成凝胶； c)用得到的凝胶在700-900°C下进行第二次焙烧，焙烧时间为5-15小时； d)焙烧产物冷却后进行粉碎分级，得到中值粒径在6-20Mm之间的颗粒； e)将上步骤中的粉碎分级产物再次与锂的化合物混合，并将混合物在600-800°C进行第三次焙烧，焙烧时间为3-10小时； f)焙烧产物冷却后进行粉碎分级得到得到中值粒径在6-20Mm之间的最终产品。
2.如权利要求1所述的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述最终产品的化学式通式为 Li1+xMyMn2_y04，其中 0〈x〈0.12，0〈y〈0.1，M 元素包括 Mg、Al、T1、Cr、Co、N1、Zn、Zr、Pr、Pm中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述锰的化合物为锰的氧化物、硫酸锰、碳酸锰、柠檬酸锰、氯化锰或醋酸锰中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述锂的化合物为醋酸锂、氢氧化锂或碳酸锂中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于:培烧的气氛均为空气或氧气或者空气与氧气的混合气体，培烧时的升温速率为1_5°C /min。
6.如权利要求1所述的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于:所述液相混合所用的溶剂为水或者低级醇或者水与低级醇的混合物，溶剂体积为混合物料的2-20倍，加热温度为40-80°C，并于形成凝胶后停止搅拌。
7.如权利要求1所述的掺杂富锂锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于:第一次粉碎分级得到的产品与锂化合物的混合方式为干法混合(即直接将相应的化合物混合起来)，或者湿法混合(即在溶剂中混合)。
【文档编号】H01M4/505GK103531775SQ201310418131
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】聂权, 胡有滔, 卢江波 申请人:东莞市天楠光电科技有限公司