一种Sc(Ⅲ)掺杂的尖晶石型锰酸锂电池正极材料的制备方法

文档序号:3459381
专利名称:一种Sc(Ⅲ)掺杂的尖晶石型锰酸锂电池正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于电池正极材料的制备技术,特别涉及锂离子电池正极材料锰酸锂的制备方法。
背景技术
据《新材料产业》2004年第一期23-24页介绍,尖晶石型锰酸锂LiMn2O4作为锂离子电池的正极材料,相对于LiCoO2,LiNiO2等正极材料,由于其对环境污染小,原料来源广泛,价格低廉,充放电安全系数高的特点,有着非常广泛的应用前景。据《中国锰业》第21卷第一期14-18页介绍,目前主要的化学制备方法有固相分段高温煅烧法,佩奇尼(Pechini)法,溶胶-凝胶法等,这些制备方法有的能耗大,灼烧温度高,时间长;有的过程复杂,操作繁复;而且产物的循环性能差。
《中国锰业》第21卷第一期14-18页报道,计量型的锰酸锂正极材料在充放电循环的过程中,由于Mn(III)的姜-泰勒(Jahn-Teller)效应以及锰的溶解等影响,导致尖晶石型的三维立方大通道结构发生扭曲变形,结构极其不稳定,容量衰减迅速,循环性很差。为改善尖晶石型正极材料的循环性,在尖晶石结构中掺杂二价或者三价的金属离子,从而减少Mn(III)的含量,开始引起人们的关注,但目前的掺杂研究中,材料的循环性能并未得到明显的改善。
荷兰《电源材料》杂志(Journal of Power Sources,10221-28,2001)报道了在尖晶石型正极材料中掺杂Co的研究工作,但该工艺流程中高温煅烧时间过长,生产能耗大,不利于大规模的推广。
《电源材料》杂志(Journal of Power Sources,96376-384,2001)报道了在尖晶石型正极材料中掺杂Al的研究工作,该法生产流程能耗较小,但掺杂后的正极材料循环性能仍旧不理想,容量衰减较快。
中国《无机材料学报》2002年第17卷第5期999-1003页报道了在尖晶石型正极材料中掺杂Co的研究工作,该工艺流程采用了溶液相合成技术,生产周期长,实验步骤繁琐,而且产品的性能并不十分突出。
为提高尖晶石型正极材料的实用性,需要寻找一种合适的生产工艺配方以及生产流程,以提高尖晶石型正极材料的电化学循环性和结构稳定性。

发明内容
本发明提出一种Sc(III)掺杂的尖晶石型锰酸锂电池正极材料的制备方法,以提高尖晶石型正极材料的电化学循环性和结构稳定性。
本发明Sc(III)掺杂的尖晶石型锰酸锂电池正极材料的制备方法,采用固相高温煅烧法,初始物料以LiOH·H2O作为锂源、MnO2作为锰源,其特征在于按照LiScxMn2-xO4中物质量之比,取x=0.01-0.2,在初始物料中掺入Sc2O3,混合研磨后,450-500℃灼烧3-6小时,得到中间产物;研磨后,再于500-550℃灼烧3-6小时;再研磨后于600-800℃灼烧12-24小时,即得最终产物。
若在将Sc2O3掺入初始物料的过程中,按每摩尔初始物料加入100-200毫升的由乙醇蒸馏水体积比为23组成的混合分散剂,混合研磨后于600-800℃灼烧12-24小时,即得最终产物。
与现有技术相比较,本发明方法制备过程简单,反应周期短,工业应用前景好;掺杂Sc(III)后,材料仍旧保持了完好的尖晶石型三维立方大通道结构;在x=0.01-0.2的掺杂范围内,由于Mn(III)的含量减少而导致的初次容量的下降也较小,初次放电容量保持在110mAh/g以上;掺杂Sc(III)后,材料的循环性能显著提高,以LiScxMn2-xO4,x=0.01-0.2,作为正极材料制备的电池,在3-4.5V的区间内60次充放电循环后,容量衰减率仅为2-4%;60次循环完成后,XRD测试显示,LiScxMn2-xO4(x=0.01-0.2)正极材料仍旧保持完好的尖晶石型三维立方大通道结构。采用本方法,尖晶石型锰酸锂正极材料的电化学性能得到了大大的提升,从而为尖晶石型LiMn2O4在锂离子电池工业中的应用提供了一条行之有效的途径。
具体实施例方式以下是
具体实施例方式实施例1LiSc0.01Mn1.99O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO28.65克,Sc2O30.0345克,混合研磨1小时后,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至450℃,保持温度,灼烧5小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至520℃,保持温度,灼烧5小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至800℃,保持温度,灼烧12小时,自然冷却至室温,产物研磨15分钟后收集,得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰完全符合立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在1-4um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.01Mn1.99O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.01Mn1.99O4材料的初次放电容量为125mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在120mAh/g,容量衰减率为4%,表明掺杂后的电极材料的循环性得到了显著提高。
实施例2LiSc0.02Mn1.98O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO28.6克,Sc2O30.069克,混合研磨1小时后,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至460℃,保持温度,灼烧3小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至550℃,保持温度,灼烧3小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至600℃,保持温度,灼烧18小时,自然冷却至室温,产物研磨15分钟后收集,得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰完全符合立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在1-4um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.02Mn1.98O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.02Mn1.98O4材料的初次放电容量为100mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在98mAh/g,容量衰减率为2%,表明采用该种掺杂方法确实能够有效提高材料的循环性。
实施例3LiSc0.06Mn1.94O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO28.44克,Sc2O30.21克,混合研磨1小时后,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至480℃,保持温度,灼烧5小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至550℃,保持温度,灼烧5小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至700℃,保持温度,灼烧24小时,自然冷却至室温,产物研磨15分钟后收集,得到最终的产品。
产物循环前后的X-射线衍射结果表明所得产物是立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在1-4um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.06Mn1.94O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.06Mn1.94O4材料的初次放电容量为135mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在132mAh/g,容量衰减率为2%,相比于未掺杂的材料,循环性得到很大提高。
实施例4LiSc0.1Mn1.9O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO28.27克,Sc2O30.345克,混合研磨1小时后,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至470℃,保持温度,灼烧4小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至530℃,保持温度,灼烧4小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至600℃,保持温度,灼烧24小时,自然冷却至室温,产物研磨15分钟后收集,得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰表明材料属于立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在1-4um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.1Mn1.9O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.1Mn1.9O4材料的初次放电容量为128mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在123mAh/g,容量衰减率为4%,显示了掺杂后材料的良好的循环性。
实施例5LiSc0.2Mn1.8O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO27.83克,Sc2O30.69克,混合研磨1小时后,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至490℃,保持温度,灼烧3小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至520℃,保持温度,灼烧3小时,自然冷却至室温;中间产物取出研磨0.5小时后,以5℃/min的速率升温至700℃,保持温度,灼烧12小时,自然冷却至室温,产物研磨15分钟后收集,得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰均符合立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在1-4um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.2Mn1.8O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.2Mn1.8O4材料的初次放电容量为116mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在112mAh/g,容量衰减率为3.4%,相对于未掺杂的尖晶石样品,其电化学性能有了显著的提高。
实施例6LiSc0.08Mn1.92O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO28.352克,Sc2O30.276克,加入体积比2∶3的乙醇∶蒸馏水混合分散剂20毫升,混合研磨1小时后,80℃烘干,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至600℃,灼烧12小时,自然冷却至室温,即可得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰表明材料属于立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在0.5-1um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.08Mn1.92O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.08Mn1.92O4的初次放电容量为136mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在132mAh/g,容量衰减率为3%,循环性能显著提升。
实施例7LiSc0.15Mn1.85O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO28.0475克,Sc2O30.5175克,加入体积比2∶3的乙醇∶蒸馏水混合分散剂15毫升,混合研磨1小时后,80℃烘干,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至700℃,灼烧18小时,自然冷却至室温,即可得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰表明材料属于立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在0.5-1.5um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.15Mn1.85O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.15Mn1.85O4材料的初次放电容量为128mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在125mAh/g,容量衰减率为2.3%,循环性能显著改善。
实施例8LiSc0.2Mn1.8O4的制备按照化学计量比,称取LiOH·H2O2.1克,MnO27.83克,Sc2O30.69克,加入体积比2∶3的乙醇∶蒸馏水混合分散剂30毫升,混合研磨1小时后,80℃烘干,置于马福炉中,以5℃/min的速率升温至800℃,保持温度,灼烧24小时,自然冷却至室温,即可得到最终的产品。
采用X-射线衍射、扫描电子显微镜对产物的物相及形貌进行了分析,产物循环前后的X-射线衍射峰表明材料属于立方相的尖晶石结构,扫描电镜照片显示,产物的粒径在0.5-2um之间,呈现规则的八面体型外形。
以制备得到的LiSc0.2Mn1.8O4为正极材料,金属锂为负极,制作电池,在3-4.5V范围内测量其电化学性质,测试结果显示LiSc0.2Mn1.8O4材料的初次放电容量为120mAh/g,60次循环后容量仍旧保持在117mAh/g,容量衰减率为2.5%,相对于未掺杂的尖晶石型材料,循环性能得到了显著的提升。
权利要求
1.一种Sc(III)掺杂的尖晶石型锰酸锂电池正极材料的制备方法,采用固相高温煅烧法,初始物料以LiOH·H2O作为锂源、MnO2作为锰源,其特征在于按照LiScxMn2-xO4中物质量之比,取x=0.01-0.2,在初始物料中掺入Sc2O3,混合研磨后,450-500℃灼烧3-6小时,得到中间产物;研磨后,再于500-550℃灼烧3-6小时;再研磨后于600-800℃灼烧12-24小时,即得最终产物。
2.如权利要求1所述锰酸锂电池正极材料的制备方法,特征在于在将Sc2O3掺入初始物料的过程中,按每摩尔初始物料加入100-200毫升的由乙醇∶蒸馏水体积比为2∶3组成的混合分散剂,混合研磨后于600-800℃灼烧12-24小时,即得最终产物。
全文摘要
本发明Sc(III)掺杂的尖晶石型锰酸锂电池正极材料的制备方法,特征是以LiOH·H
文档编号C01G1/02GK1773749SQ20041006572
公开日2006年5月17日 申请日期2004年11月11日 优先权日2004年11月11日
发明者周复, 赵雪梅, 郑化桂, 沈涛, 季明荣, 张祖德, 唐琛明, 王新威 申请人:中国科学技术大学
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