专利名称：一种锂离子电容和电池的正极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种固溶体氧化物材料，尤其是一种应用于锂离子电容和电池正极的
固溶体氧化物材料。
背景技术：
自从日本索尼公司1990年商品化生产锂离子电池以来，锂离子电池由于能量密 度高、循环寿命长、开路电压高、安全无污染等一系列优点，越来越多地引起国内外电池工 业的重视，其研发和生产也是电池行业的热门技术领域。2005年以后，锂离子电容异军突 起，电容量比铅酸电池还要高两倍以上。锂离子电容的充电时间只需几十秒，兼具高能量密 度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性、长循环寿命与低成本的特点，符合便携、移动产品的 要求，具有极高的经济应用价值和前景。因此，锂离子电容和电池被称为新世纪移动设备 的最佳小型电源。但为了使锂离子电容和电池性能进一步提高，尚需解决以下主要问题 a.需开发出放电电压高、容量大、充放电循环寿命长的正极材料，这种材料需与电解质有较 好的电相容性，以减少接触电阻；b.需开发不发生枝状结晶、充放电循环寿命长的负极材 料；c.需开发出高导电率的聚合物电解质，目前研究较多的聚醚类固体电解质经掺杂后， 导电率仍较低，电池的内阻大、放电电流小。d.降低材料和加工制造成本。这其中找到新型 的大容量锂离子电容和电池用正极材料成为技术关键点。 锂离子电池正极材料一直是限制锂离子电池和电容发展的关键，和负极材料相 比，正极材料能量密度和功率密度低，并且是引发锂离子电池安全性隐患的主要原因。正 极材料的发展主要集中体现在寻求高能量密度、高功率密度、环境友好、使用安全和价格便 宜的电极材料，目前研究最多的是锰酸锂(LiMn2(V如申请号为200410044225. 3的中国专 利公开的"锂离子蓄电池正极活性材料尖晶石型锰酸钾")和钴酸锂(LiCo02)。此外如申 请号为200410039176. 4的中国专利公开的"锂离子电池正极材料磷酸亚铁锂"和申请号为 200610106983. 2的中国专利公开的"一种掺杂磷酸亚铁锂正极材料"，均采用磷酸亚铁锂作 为正极材料，其温度性能很好，但电容量相对不高。申请号为200810018806. 8的中国专利 "锂电池的正极材料及高温固相烧结制备方法"，公开了 LiMgTa04、LiMgV04、LiMgNb04等三种 复合氧化物作为锂离子电池正极材料，以五价的金属盐作为原料，但是所用材料成本较高， 电性能一般。
发明内容
为了克服现有技术放电电化学容量低和循环特性差的不足，本发明提供一种新型 锂离子电容和电池用正极材料，使得初始比电容量和循环比电容量等性能指标明显提高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种与LiCo(^层状结构类似的固溶 体氧化物材料，其通式是Li,MgyMzOn，其中M为Co、Fe、Ni、Mn或Ti，以及其他化合价为3+的 金属离子，x、y、z、n均为正整数，满足x+2y+3z = 2n的复合氧化物固溶体正极材料。
本发明还提供所述的正极材料的制备方法，包括以下步骤
1.以Li、Mg和M或者Li、Mg或M的氧化物为原料，M为Co、Fe、Ni、Mn或Ti，将纯 度为99. 9X的Li、Mg和M或者Li、Mg或M的氧化物按Li : Mg : M的摩尔比为ll :2:5 称重，充分搅拌混合，得到混合物。 2.将步骤1得到的混合物在球磨机中研磨，进一步混合，直至三种原料粉末的粒 径达到O. 01-10微米范围。 3.对步骤2得到的混合物进行加温固相反应，加温条件是炉温由室温升温至 400-95(TC，升温速度低于50°C /分，保温3-100h，然后随炉冷却，冷却速度低于50°C /分。 由于加温固相过程中粉末会结成大块，将粉末取出后研磨至粒径为0. 2-35微米范围。
4.将步骤3得到的混合物放入高温烧结炉中由室温升温至450-1050°C ，升温速度 低于50°C /分，保温3-60h，然后随炉冷却，冷却速度低于50°C /分；将反应后的产物研磨 均匀至粒径为0. 5-15微米。 5.进行晶相检测，若晶相检测结果有离析出的摩尔比含量大于1%的Li或Mg的 单独氧化物晶相，则重复上述步骤3和步骤4，若无离析出的摩尔比含量大于1 %的Li或Mg 的单独氧化物相，即为合格，最后制备成纯净的单相成份大于99^的Li,MgyM,(^粉体。该粉 体晶相微观结构为与LiCo02 —样的层状结构，即所述的锂离子电池正极材料，结束过程。
步骤1的原料也可以采用可分解为Li、Mg或M的氧化物的化合物，比如Li、Mg或 M的可分解的硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碱式盐和碱等。 步骤1的原料中至少一种选择颗粒度超细的l-500nm的纳米粉体原料最优。
步骤2、步骤3和步骤4的研磨过程可以采取湿磨或干磨两种方式，干磨就是固体 原料直接混合研磨；湿磨可以加入有机溶剂或者纯水与料混合后研磨，研磨后要烘干在继 续下道步骤。所述的有机溶剂采用乙醇或丙酮。 本发明的有益效果是本发明所述的LixMgyMz(^作为正极材料可与负极材料锂 片或石墨匹配制备锂离子电池。通过实验表明，制备的锂离子电池初始比电容量可以达到 260mAh/g以上，首次可逆循环放电比电化学容量为260±5mAh/g。现有技术中LiCo02电池 的比电化学容量最高值只能达到190mAh/g左右， 一般商品化产品最好的比电化学容量约 150mAh/g左右，以本发明所述的LixMgyMz03n作为正极材料使得锂离子电池的性能指标得到 了 70%以上的提高。 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为LinMg2Co5015的X-射线衍射图。显示其微观结构与LiCo02类似；
图2为衍射峰角度位置，与LiCo02角度位置比照图，可以看出峰的稍微偏移。
具体实施方式
实施例1 : 采用LinMg2Co5015作为锂电池正极材料，采用高温固相烧结的方法制备，包括以下 步骤 1.以Li20、 Mg(0H)2禾口 Co304为原材料，将纯度为99%的Li20、 Mg(0H)2和Co304按
Li : Mg : Co比ii : 2 : 5摩尔比充分混合，推荐使用至少一种原材料达到超细纳米化，即Li20、Mg(0H)2禾口 Co304l中至少一种的粒径小于10nm。 2.然后在球磨机中研磨此混合物，直至所有粉末的粒径达到2微米以下，越细越 好。 3.针对此混合物的加温条件是炉温由室温升温至500°C ，保温50h，随炉冷却，升 温和冷却速度均为每分钟5°C。将粉末取出粉碎至粒径为1微米，研磨均匀。
4.再次放入高温烧结炉中由室温升温至750°C ，保温36h，冷却，升温和冷却速度 均为每分钟5°C。将粉末取出研磨至粒径为1微米。 5.用X-射线衍射(XRD)测定其晶相，若有离析出的摩尔比含量大于1%的Li或 Mg单独氧化物相，重复上述步骤3和步骤4，若晶相无离析出的Li、 Mg单独氧化物相，即为 合格，制备成功纯度大于99%、接近纯相的LinMg2Co5015，晶相为与LiCo02 —样的层状结构 锂电池正极材料。如图1所示，其微观结构与LiCo02类似，但是根据图2显示，其衍射角度 有偏移，表明Mg2+嵌入此结构体系，并且形成了固溶体。 本发明的正极材料可与负极材料锂片或者石墨匹配制备锂离子电池，初始比电容 量最高可以达到260mAh/g以上，首次可逆循环放电比电容量为260士5mAh/g，这一结果已 经比现有最优商品电池提高70 %以上。
实施例2 : 采用LinMg2Co5015作为锂电池正极材料，采用高温固相烧结的方法制备，包括以下 步骤 1.以LiOH、 MgC03和Co (CH3COO) 2为原材料，将纯度为99 %的Li20、 MgC03和
Co(CH3C00)2按Li : Mg : Co比ii : 2 : 5摩尔比充分混合； 2.然后在球磨机中球磨，粉末的粒径达到3微米。 3.针对LinMg2Co5015的加温条件是炉温由室温升温至60(TC，保温35h，随炉冷 却，升温和冷却速度为每分钟30°C 。将粉末取出粉碎至粒径为0. 5-10微米，研磨均匀。
4.再次放入高温烧结炉中由室温升温至1050°C ，保温3h，随炉冷却，升温和冷却 速度为每分钟30°C 。将粉末取出研磨至粒径为0. 5-10微米。 5.进行X-射线衍射(XRD)测定其晶相，若有离析出的摩尔比含量大于1 %的Li或 Mg单独氧化物相，重复上述步骤3、4，若晶相无离析出的Li、Mg单独氧化物相，即为合格，制 备成功纯度大于99%接近纯相的LiuMg2Co5015，晶相为与LiCo02 —样的层状结构锂电池正 极材料。 实施例3 : 采用LinMg2Fe5015作为锂电池正极材料，采用高温固相烧结的方法制备，包括以下 步骤 1.以Li2C03、Mg(N03)2和Fe(0H)2为原材料，将纯度为99. 99 %的Li20、 Mg (OH) 2和 FeA按Li : Mg : Fe比ll : 2 : 5摩尔比充分混合。 2.然后在球磨机中加入乙醇研磨，粉末的粒径达到10微米，在12(TC烘干驱除乙醇。 3.研磨后混合物放入高温烧结炉中进行烧制。将炉温由室温升温至60(TC，保温 至50h，随炉冷却，升温和冷却速度为每分钟rc 。将粉末再次研磨粉碎至粒径为0. 8微米。
4.再次放入高温烧结炉中由室温升温至950°C ，保温10h，随炉冷却，升温和冷却速度为每分钟rc，将粉末再次研磨粉碎至粒径为o. s微米。 5.进行晶相检测，若有离析出的摩尔比含量大于lX的Li、Mg单独氧化物相，重复 上述步骤3、4，若晶相无离析出的Li、 Mg单独氧化物相，即为合格，最终制备成功纯净的单 相LinMg2Fe5015锂电池正极材料。
实施例4: 采用LinMg2Ni5015作为锂电池正极材料，采用高温固相烧结的方法制备，包括以下 步骤 1.以Li2C03、 Mg (N03) 2和Ni (OH) 2为原材料，将纯度为99. 99 %的Li20、 Mg (OH) 2和
附203按匸Mg : Ni比ii : 2 : 5摩尔比充分混合。 2.然后在球磨机中加入乙醇研磨，粉末的粒径达到10微米，在12(TC烘干驱除乙醇。 3.研磨后混合物放入高温烧结炉中进行烧制。将炉温由室温升温至60(TC，保温
至50h，随炉冷却，升温和冷却速度为每分钟rc 。将粉末再次研磨粉碎至粒径为0. 8微米。 4.再次放入高温烧结炉中由室温升温至950°C ，保温10h，随炉冷却，升温和冷却
速度为每分钟rc。将粉末再次研磨粉碎至粒径为o. 8微米。 5.进行晶相检测，若有离析出的摩尔比含量大于lX的Li、Mg单独氧化物相，重复 上述步骤3、4，若晶相无离析出的Li、 Mg单独氧化物相，即为合格，最终制备成功纯净的单 相LinMg2Ni5015锂电池正极材料。
实施例5 : 采用LinMg2Mn5015作为锂电池正极材料，采用高温固相烧结的方法制备，包括以下 步骤 1.以Li2C03、 Mg (N03) 2和Ni (OH) 2为原材料，将纯度为99. 99 %的Li20、 Mg (OH) 2和 Mri304按Li : Mg : Mn比ll : 2 : 5摩尔比充分混合。 2.然后在球磨机中加入乙醇研磨，粉末的粒径达到10微米，在12(TC烘干驱除乙 醇； 3.研磨后混合物放入高温烧结炉中进行烧制。将炉温由室温升温至60(TC，保温 至50h，随炉冷却，升温和冷却速度为每分钟rc 。将粉末再次研磨粉碎至粒径为0. 8微米。
4.再次放入高温烧结炉中由室温升温至450°C ，保温100h，随炉冷却，升温和冷却 速度为每分钟rc 。将粉末再次研磨粉碎至粒径为0. 8微米。 5.进行晶相检测，若有离析出的摩尔比含量大于lX的Li、Mg单独氧化物相，重复 上述步骤3、4，若晶相无离析出的Li、 Mg单独氧化物相，即为合格，最终制备成功纯净的单 相LinMg2Ni5015锂电池正极材料。
实施例6 : 采用Li18Mg2Ti4019作为锂电池正极材料，采用高温固相烧结的方法制备，包括以下 步骤 1.以Li2C03、Mg (N03) 2和Ti02为原材料，将纯度为99. 99 %的Li20、Mg (OH) 2和Ti02
按Li : Mg : Ti比9 : i : 2摩尔比充分混合。 2.然后在球磨机中研磨，粉末的粒径达到5微米； 3.研磨后混合物放入高温烧结炉中进行烧制。将炉温由室温升温至60(TC，保温至50h，随炉冷却，升温和冷却速度为每分钟50°C 。将粉末再次研磨粉碎至粒径为3微米。
4.再次放入高温烧结炉中由室温升温至550°C ，保温60h，随炉冷却，升温和冷却 速度为每分钟50°C。将粉末再次研磨粉碎至粒径为3微米。 5.进行晶相检测，若有离析出的摩尔比含量大于lX的Li、Mg单独氧化物相，重复 上述步骤3、4，若晶相无离析出的Li、 Mg单独氧化物相，即为合格，最终制备成功纯净的单 相LinMg2Ni5015锂电池正极材料。 本发明测试用的匹配的负极材料采用锂片或石墨，具有充放电可逆性好、容量大 和放电平台低的特点。电化学容量通常指单位质量的活性物质充电或放电到最大程度时的 电量，一般用mAh/g表示。理想的负极材料的电极电位应与金属锂接近，随锂的嵌入量不同 变化不大(相对于Li7Li之间变化)，是比较适合的负极材料。 电解质的作用是在电池内部正负极之间形成良好的离子导电通道。本发明中的 电解质材料为ImolL—1的LiPF『碳酸二乙酯和碳酸乙烯酯的混合溶液(两者的摩尔比为 1:1)。隔膜为商品化膜。本发明的电极材料还可以用于与其它负极材料、电解质及附属 材料匹配。
权利要求
一种锂离子电容和电池的正极材料，其特征在于通式是LixMgyMzOn，其中M为Co、Fe、Ni、Mn或Ti，x、y、z、n均为正整数，x+2y+3z＝2n。
2. —种权利要求1所述的锂离子电容和电池的正极材料的制备方法，其特征在于包含 以下步骤步骤1.以纯度为99. 9%的Li、Mg和M为原料，或者以纯度为99. 9%的Li、Mg和M的 氧化物为原料，M为Co、Fe、Ni、Mn或Ti，将原料按Li : Mg : M的摩尔比为ll : 2 : 5称 重，充分搅拌混合，得到混合物；步骤2.将步骤1得到的混合物在球磨机中研磨，进一步混合，直至三种原料粉末的粒 径达到0. 01-10微米范围；步骤3.对步骤2得到的混合物进行加温固相反应，加温条件是炉温由室温升温至 400-95(TC，升温速度低于50°C /分，保温3-100h，然后随炉冷却，冷却速度低于50°C /分； 将冷却后的粉末研磨至粒径为0. 2-35微米范围；步骤4.将步骤3得到的混合物放入高温烧结炉中由室温升温至450-1050°C ，升温速度 低于50°C /分，保温3-60h，然后随炉冷却，冷却速度低于50°C /分；将反应后的产物研磨 均匀至粒径为0. 5-15微米；步骤5.进行晶相检测，若晶相检测结果有离析出的摩尔比含量大于1%的Li或Mg的 单独氧化物晶相，则重复上述步骤3和步骤4，若无离析出的摩尔比含量大于1 %的Li或Mg 的单独氧化物相，即为合格，最后制备成单相成份大于99%的Li,MgyM,(^粉体。
3. 根据权利要求2的一种锂离子电容和电池的正极材料的制备方法，其特征在于步 骤1所述的原料采用可分解为Li、Mg或M的氧化物的化合物，包括Li、Mg或M的可分解的 硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碱式盐和碱。
4. 根据权利要求2的一种锂离子电容和电池的正极材料的制备方法，其特征在于步 骤1所述的原料中至少一种选择颗粒度为l-500nm的粉体。
5. 根据权利要求2的一种锂离子电容和电池的正极材料的制备方法，其特征在于步 骤2、步骤3和步骤4所述的研磨采取湿磨或干磨。
全文摘要
本发明公开了一种锂离子电容和电池的正极材料，其通式是LixMgyMzOn，M为Co、Fe、Ni、Mn或Ti，x+2y+3z＝2n。制备时将原料按Li∶Mg∶M的摩尔比为11∶2∶5称重混合后研磨，然后反复进行加温固相反应及研磨，直至晶相检测无离析出的Li或Mg的单独氧化物相，最后制备成单相成份大于99％的LixMgyMzO3n粉体。本发明作为正极材料使得锂离子电池的性能指标得到了70％以上的提高。
文档编号H01M4/48GK101719422SQ20101001356
公开日2010年6月2日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者苏力宏, 董鹏, 邵魏, 黄英 申请人:西北工业大学