专利名称：锂离子电池正极材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电池正极材料的制备方法，尤其涉及一种锂离子电池正极材料的 制备方法。
背景技术：
传统的锂离子电池的正极材料主要包括过渡金属氧化物，如钴酸锂、镍酸锂、钒酸 锂、锰酸锂等。其中钴酸锂的性能较为稳定，且容量较高，因此在锂离子电池正极材料中占 据主导地位。但是由于地球上钴资源贫乏，且钴具有较大毒性，从经济和环保的角度，目前 需要寻找可以替代钴酸锂的锂离子电池正极材料。在众多的替代材料中，尖晶石锰酸锂 (LiMn2O4)以其廉价，无毒，安全性好等优点成为最有希望替代钴酸锂的锂离子电池正极材 料之一。然而，尖晶石锰酸锂在充放电循环过程中的容量衰减是阻碍其应用的重要问题。 Shu-Juan Bao 在 Morphology and electrochemistry of LiMn2O4Optimized by using different Mn-sources, Journal of Power Sources 1640007) 885-889 中对以不同锰源为 原料得到的尖晶石锰酸锂进行了比较，发现采用羟基氧化锰(水锰矿，MnOOH)作为锰源得 到的尖晶石锰酸锂具有较好的容量保持率及倍率性能。然而，在上述文献中，尖晶石锰酸锂 是通过多次加热烧结得到，即先将MnOOH与硝酸锂进行研磨混合后在260°C下退火4小时， 将退火后的产物研磨，在610°C下烧结2小时，然后在750°C下烧结12小时。该多步烧结方 法较为复杂，不利于尖晶石锰酸锂工业化生产。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种更为简单且适用于工业化生产的锂离子电池正极材 料的制备方法。一种锂离子电池正极材料的制备方法，其包括提供羟基氧化锰及锂源；将该羟 基氧化锰与锂源在液相溶剂中均勻混合；干燥该混合后的产物，使该液相溶剂蒸发，得到一 前驱体；以及将该前驱体从室温勻速升温到500°C至900°C的烧结温度，并在该烧结温度下 烧结3至M小时，得到尖晶石锰酸锂。相较于现有技术，所述的锂离子电池正极材料的制备方法通过一步烧结的方式通 过MnOOH合成出尖晶石锰酸锂，简单方便，适合工业化应用。
图1是本发明实施例锂离子电池正极材料的制备方法的流程图。图2是本发明实施例合成的MnOOH的X射线衍射(XRD)谱图。图3是本发明实施例合成的MnOOH的扫描电镜照片。图4是本发明实施例合成的尖晶石锰酸锂的XRD谱图。图5是本发明实施例合成的尖晶石锰酸锂的扫描电镜照片。
具体实施例方式以下将结合附图详细说明本发明实施例锂离子电池正极材料及其制备方法。请参阅图1，本发明实施例提供一种锂离子电池正极材料的制备方法，其包括以下 步骤Si，提供MnOOH及锂源；S2，将该MnOOH与锂源在液相溶剂中均勻混合；S3，干燥该混合后的产物，使该液相溶剂蒸发，得到一前驱体；以及S4，将该前驱体从室温勻速升温到500°C至900°C的烧结温度，并在该烧结温度下 烧结3至M小时，得到尖晶石锰酸锂。在上述步骤Sl中，该锂源可以为锂盐、氢氧化锂(LiOH)或锂盐与LiOH的混合物。 该锂盐可以为碳酸锂(Li2CO3)、氯化锂(LiCl)、硝酸锂、草酸锂、磷酸锂、磷酸氢锂及磷酸二 氢锂等制备锂离子电池正极材料常用的锂盐中的一种或几种。优选地，该锂源为碳酸锂、氯 化锂及氢氧化锂中的一种或几种。该锂源为粉末或颗粒状，优选为纳米级粉末或颗粒。该 MnOOH可以为纳米颗粒或纳米棒，优选为MnOOH纳米棒，该MnOOH纳米棒具有较大的长径比， 且具有纳米级直径的横截面，该MnOOH纳米棒的长度可为10微米至50微米。该MnOOH纳 米棒可通过不同的方法制备。具体地，该MnOOH纳米棒的制备方法可以包括以下步骤将高锰酸钾(KMnO4)及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在去离子水中混合；以及将混合后的产物放入水热釜中，在120°C至180°C下水热反应6至M小时。其中，该高锰酸钾与CTAB加入的质量比约为3 1至1 1，优选地，该高锰酸钾 约为0. 5克至1克，该CTAB约为0. 2克至0. 8克。用本实施例的方法获得的产物进行XRD测试，请参阅图2，可知产物为MnOOH。请 参阅图3，通过水热法进行反应得到的MnOOH具有纳米棒结构，长度可为10微米至20微米。可以理解，该MnOOH纳米棒还可以通过其他方法制备，如在水热条件下将氧化锰 (MnO2)粉末与氨水(NH4OH)在200°C水热条件下反应M小时，得到MnOOH纳米棒簇。在上述步骤S2中，该锂源中的锂元素与MnOOH中的锰元素的摩尔比约为1 2至 1 1。该液相溶剂的加入量使该混合后的产物具有较好的流动性即可。该液相溶剂的加 入量也不易太多，避免使后续的干燥步骤时间过长。优选地，该液相溶剂使混合物为不太粘 稠的糊状物。例如，可保持该锂源及MnOOH的体积之和与该液相溶剂的体积比约为1 1 至1 5。本实施例中，该锂源及MnOOH的体积之和与该液相溶剂的体积比约为1 2。该 液相溶剂为易于蒸发，且不与MnOOH及锂源发生反应或不会使MnOOH溶解的溶剂，如乙醇、 丙酮、丙醇等低碳醇类，优选为乙醇。通过液相溶剂作为介质，可以使锂源与MnOOH充分地混合均勻，从而避免了固相 混合的偏析、团聚以及不同混合批次稳定性差异较大的问题。使锂源及MnOOH在乙醇中混合的方法可以为球磨、研磨、搅拌或超声振荡所述混 合物。当该MnOOH为纳米棒时，该混合步骤优选为在保持该MnOOH的纳米棒状形态的同时 进行混合。具体地，在该MnOOH纳米棒与锂源在液相溶剂中混合的过程中，应采用较为柔和的混合方式，保证MnOOH纳米棒的形貌不被破坏。例如，可通过一超声波振荡的步骤超声波 振荡该MnOOH纳米棒、锂源与液相溶剂的混合物，或者通过一磁力搅拌的步骤搅拌该MnOOH 纳米棒、锂源与液相溶剂的混合物，从而使MnOOH纳米棒及锂源均勻的分散于液相溶剂的 同时，保持该MnOOH纳米棒的形貌不被破坏。该磁力搅拌的时间优选为1至3小时。当该 MnOOH为纳米棒时，为合成出尖晶石锰酸锂纳米棒，该混合的过程不应用球磨或研磨的方式 进行，避免施加机械外力导致该MnOOH纳米棒的形貌遭到破坏。在上述步骤S3中，该混合后的产物可以放置于烘箱中进行干燥，使该液相溶剂完 全蒸发。当该液相溶剂为乙醇时，该干燥温度为60°C至80°C，干燥时间视液相溶剂的加入 量而定，优选为1小时至3小时，以使液相溶剂完全蒸发为准。可以理解，该混合后的产物 也可以在室温下静置干燥。在上述步骤S4中，该前驱体可在马弗炉内空气气氛下进行高温烧结，在烧结的过 程中，该前驱体被直接加热至预定的烧结温度，并在该烧结温度下烧结预定时间。优选地， 该烧结温度为600°C至800°C。该烧结的时间随前驱体量的变化而改变。在烧结之前，该前 驱体先从室温被勻速缓慢加热至该烧结温度，具体地，该缓慢升温的时间约为3至4小时。 本实施例中，该前驱体约为30克，该升温时间约为4小时，该烧结温度约为750°C，该烧结时 间约为3小时。将烧结后的产物进行XRD测试，结果如图4所示，可知产物为纯度较高的尖晶石 锰酸锂。请参阅图5，该尖晶石锰酸锂具有与MnOOH相同的纳米棒结构，且横截面的直径与 MnOOH纳米棒比较没有明显长大。说明在步骤S2至S3中，该MnOOH纳米棒的形貌均得到较 好的保持，且在步骤S4的烧结过程中，由于勻速升温且一次烧结，所述MnOOH与锂源反应生 成尖晶石锰酸锂的过程并未导致该MnOOH纳米棒形貌的改变，成功地以MnOOH纳米棒为基 础，合成出尖晶石锰酸锂纳米棒。该尖晶石锰酸锂纳米棒的长度可以为10微米至50微米， 本实施例中，长度为10微米至20微米。将该尖晶石锰酸锂纳米棒作为正极材料进行电池性能测试，发现该尖晶石锰酸锂 纳米棒具有较好的充放电容量及倍率性能。该测试电池的正极包括活性材料尖晶石锰酸锂纳米棒质量百分比85%导电剂 乙炔黑质量百分比10%粘结剂 聚偏二氟乙烯(PVDF)溶于N-质量百分比5%甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂上述物质充分搅拌混合形成一浆料，并涂覆于铝箔集流体表面，100°C干燥12小 时，形成一正极。该电池的电解液中的锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，溶剂为体积比1 1的 碳酸乙烯酯(EC)及碳酸二乙酯(DEC)。LiPF6在溶剂中的浓度为1摩尔/升。该电池的负 极金属锂。该电池测试时的充放电电压为3. 5伏至4. 3伏，经测试，在电流的倍率为0. IC 时，该电池的比容量可以达到约110毫安时/克；在倍率为IC时，该电池的比容量仍可达到 约90毫安时/克。本技术方案实施例采用一步烧结的方法以MnOOH为锰源合成了尖晶石锰酸锂，简 单方便，适合工业化应用。在合成过程中，通过在混合步骤采用超声振荡或磁力搅拌等方法 保持MnOOH的形貌，并在烧结步骤中勻速升温并一次烧结，成功地合成出纳米棒状的尖晶石锰酸锂，该纳米棒状的尖晶石锰酸锂具有较好的充放电容量及倍率性能。 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精
神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1.一种锂离子电池正极材料的制备方法，其包括提供羟基氧化锰及锂源；将该羟基氧化锰与锂源在液相溶剂中均勻混合；干燥该混合后的产物，使该液相溶剂蒸发，得到一前驱体；以及将该前驱体从室温勻速升温到500°C至900°C的烧结温度，并在该烧结温度下烧结3至 M小时，得到尖晶石锰酸锂。
2.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该锂源为锂盐、 氢氧化锂或锂盐与氢氧化锂的混合物。
3.如权利要求2所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该锂盐为碳酸 锂、氯化锂、硝酸锂、草酸锂、磷酸锂、磷酸氢锂及磷酸二氢锂中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该锂源中的锂 元素与羟基氧化锰中的锰元素的摩尔比为1 2至1 1。
5.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该羟基氧化锰 为羟基氧化锰纳米棒。
6.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该羟基氧化锰 纳米棒的制备方法包括以下步骤将高锰酸钾及十六烷基三甲基溴化铵在去离子水中混合；以及将混合后的产物在120°C至180°C下水热反应6小时至M小时。
7.如权利要求6所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该高锰酸钾与 十六烷基三甲基溴化铵的质量比为3 1至1 1。
8.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该羟基氧化锰 纳米棒的长度为10微米至50微米。
9.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该羟基氧化锰 与锂源在液相溶剂中混合的步骤为采用超声波振荡该羟基氧化锰纳米棒、锂源与液相溶剂 的混合物。
10.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该羟基氧化锰 与锂源在液相溶剂中混合的步骤为磁力搅拌该羟基氧化锰纳米棒、锂源与液相溶剂的混合 物。
11.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该液相溶剂为 乙醇、丙醇及丙酮中的一种或几种。
12.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该干燥温度为 60°C至80°C，干燥时间为1小时至3小时。
13.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该尖晶石锰酸 锂为尖晶石锰酸锂纳米棒。
14.如权利要求5所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该锂源及羟基 氧化锰的体积之和与该液相溶剂的体积比为1 1至1 5。
15.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该尖晶石锰酸 锂纳米棒长度为10微米至50微米。
16.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该烧结温度为(600 °C 至 800 °C。
17.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该前驱体从室 温升至烧结温度的时间为3小时至4小时。
全文摘要
本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，其包括提供羟基氧化锰及锂源；将该羟基氧化锰与锂源在液相溶剂中均匀混合；干燥该混合后的产物，使该液相溶剂蒸发，得到一前驱体；以及将该前驱体从室温匀速升温到500℃至900℃的烧结温度，并在该烧结温度下烧结3至24小时，得到尖晶石锰酸锂。
文档编号H01M4/1391GK102130330SQ20101004444
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者李亚栋, 王定胜, 肖小玲 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司