采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法

本发明属于锂离子电池，尤其涉及一种采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法。

背景技术：

1、锂离子电池已经广泛应用于人们的日常生活中，但是科技社会的迅猛发展使得现阶段低能量密度锂离子电池的性能已经满足不了人类的使用需求，在决定锂离子电池性能的关键部件中，负极材料、电解液以及隔膜已经能够满足现阶段的使用需求。但是在现阶段主流的正极材料中，limo2(m＝co，ni，mn)的产生成本高且毒性较大、limn2o4的比容量不足够高，lifepo4等的能量密度及电子导率低下，以上材料自身存在的不足是制约锂离子电池性能的主要因素。

2、富锂锰氧材料凭借非常高的比容量以及能量密度成为正极材料中的热点，被人们寄予厚望。但是，这种材料也存在一些缺陷：(1)循环性能不够理想。充电时li2mno3组分中li+与氧气的释放会导致材料逐渐向尖晶石结构转变；(2)倍率性能不够高。li2mno3是富锂锰氧材料的重要成分，但是其自身的电子导率较低，这也导致富锂锰氧材料倍率性能不高；(3)循环过程中，放电容量以及放电平台下降的速度非常快。

3、研究如何克服这些问题对于提高锂离子电池的性能具有重要意义。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，来提高锂离子电池的性能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，包括以下步骤：

3、(1)把柠檬酸和碳酸锂按1.2:1～2:1的摩尔比配制10～15wt％柠檬酸水溶液；

4、(2)根据li1.18ni0.15co0.15mn0.52-xcexo2的化学计量比称取铈源，锂源，钴源、镍源和锰源，其中0<x≤0.03，与去离子水和无水乙醇一起配制成溶液，向溶液中滴入配制好的柠檬酸水溶液，并用氨水将ph值调节至7.0～7.5左右；

5、(3)将步骤(1)得到的溶液于50～80℃下持续搅拌，直至形成凝胶；

6、(4)将步骤(2)得到的凝胶在真空环境下100～150℃干燥10～12h；

7、(5)将干燥后的材料先350～450℃预烧5～7h，然后取出进行压实，将压实的材料800～1000℃烧结10～14h，在液氮环境中对烧结物进行淬火操作，最终得到ce4+掺杂的富锂正极材料。

8、优选的，步骤(2)中去离子水和无水乙醇的体积比为2:1～3:1；锂源与无水乙醇的固液比为1g:25ml～1g:30ml。

9、优选的，所述铈源为硝酸铈，锂源为碳酸锂；钴源、镍源和锰源分别为钴、镍和锰的醋酸盐。

10、本发明产生的有益效果是：ce4+掺杂改性后的li1.18ni0.15co0.15mn0.52o2材料与未掺杂改性的li1.18ni0.15co0.15mn0.52o2材料的xrd图谱基本保持一致，没有观察到新的衍射峰，由此表明ce4+的掺杂并不会导致li1.18ni0.15co0.15mn0.52o2材料的晶体结构发生明显改变。掺杂改性前，材料颗粒的粒径在200-400nm之间，掺杂ce4+后，材料的颗粒形状并没有发生明显的改变，但是材料的尺寸有所增加，在200-700nm之间，掺杂的ce4+促进了材料的晶体生长。ce4+掺杂前后材料的首次充电比容量基本不变，但是相较于未掺杂材料的首次放电比容量(249.5mah g-1)，ce4+掺杂材料的首次充电比容量(257.2mah g-1)有所提高。由此可见，掺杂ce4+能够提高li1.18ni0.15co0.15mn0.52o2材料的首次库伦效率。未掺杂材料的放电平台衰减的速度非常快，但是掺杂了ce4+后，材料的放电平台衰减的速度明显放缓。

技术特征：

1.一种采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，其特征在于：所述步骤(2)中去离子水和无水乙醇的体积比为2:1～3:1。

3.如权利要求2所述采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，其特征在于：所述步骤(2)中锂源与无水乙醇的固液比为1g:25ml～1g:30ml。

4.如权利要求1所述采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，其特征在于：所述铈源为硝酸铈，锂源为碳酸锂；钴源、镍源和锰源分别为钴、镍和锰的醋酸盐。

技术总结
本发明公开了一种采用高价离子掺杂对富锂正极材料进行结构优化的方法，通过溶胶凝胶法制备出纯相Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2材料，并通过溶胶凝胶法对富锂锰氧锂离子电池正极材料Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2进行Ce4+掺杂改性。随后采用X‑射线衍射仪和扫描电子显微镜分析所制备材料的结构和形貌，并进行恒流充放电测试以及循环伏安测试，从测试结果分析Ce4+掺杂对Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2材料的电化学性能产生的影响。Ce4+掺杂前后材料的首次充电比容量基本不变，但是相较于未掺杂材料的首次放电比容量(249.5mAh g‑1)，Ce4+掺杂材料的首次充电比容量(257.2mAh g‑1)有所提高。由此可见，掺杂Ce4+能够提高Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2材料的首次库伦效率。未掺杂材料的放电平台衰减的速度非常快，但是掺杂了Ce4+后，材料的放电平台衰减的速度明显放缓。

技术研发人员：边筱扉,张彤,李文剑
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16