專利名稱：一種快速合成鋰離子電池多元層狀正極材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成鋰離子電池正極材料的方法，特別是快速合成多元層狀正極材料的方法。
背景技術(shù)：
鈷酸鋰由于具有容易合成、性能穩(wěn)定和容量較高等優(yōu)點(diǎn)，是商業(yè)鋰離子電池最先使用和使用最多的正極材料。但其合成所需要的鈷存在資源匱乏、價格昂貴、毒性較大等缺點(diǎn)，開發(fā)無鈷或少鈷的新型正極材料成為鋰離子電池正極材料的重要發(fā)展方向之一。多元層狀正極材料如LiNi1/2Mn1/202、LiNil73Col73Mnl73O2 和 XLi2MnO3-(l_x) LiMO2 (Μ為Ni、Co、Mn中的一種或多種)等，由于放電比容量較高、成本較低受到人們的廣泛關(guān)注，其中三元正極材料LiNi1/3Co1/3Mn1/302已有商業(yè)化應(yīng)用，其產(chǎn)量逐年上升有望超過鈷酸鋰。近幾年來，富鋰層狀正極材料XLi2MnO3-(1-x) LiMO2 (M為Ni、Co、Mn中的一種或多種)因具有比容量高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn)。合成鋰離子電池多元層狀正極材料的方法可以分為固相合成法和液相合成法。固相合成法由于操作簡單、對設(shè)備的要求低，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。但固相合成法，一般是通過長時間的球磨來混合原料，無法使原料達(dá)到分子水平的均勻混合?；旌虾蟮脑闲枰诟邷叵逻M(jìn)行十幾小時甚至數(shù)十小時的恒溫煅燒，生產(chǎn)周期長、能耗大。合成的正極材料顆粒不規(guī)則且容易出現(xiàn)雜相，難以得到單相的多元層狀正極材料。液相合成法主要包括溶膠-凝膠法、共沉淀法、噴霧干燥法、水熱法等。液相合成法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)原料在分子水平上的均勻混合且合成溫度較低，但其合成工藝復(fù)雜，操作過程難以準(zhǔn)確控制，產(chǎn)量低，設(shè)備復(fù)雜，很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單、容易控制、合成時間短，能快速合成鋰離子電池多元層狀正極材料的方法。具體步驟為
Cl)以乙酸鋰為鋰源，以熔點(diǎn)<200°C的Ni、Co、Mn、Fe和Cr的硝酸鹽或/和乙酸鹽為過渡金屬源，按目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量原料，裝入剛玉坩堝中(目標(biāo)產(chǎn)物為層狀結(jié)構(gòu)的多元正極材料LiMO2, M為Ni、Co、Mn、Fe和Cr等過渡金屬元素中的兩種或多種)。(2)將裝有步驟(I)配備的原料的坩堝在電爐或水浴中加熱，使原料熔化形成均勻的液體。(3)將裝有步驟(2)所得液體的坩堝移入加熱到400-600°C并恒溫的電爐中，使之發(fā)生燃燒反應(yīng)。(4)將步驟(3)所得反應(yīng)產(chǎn)物收集、研磨、過100目篩，用壓片機(jī)將其壓成圓片。(5)將步驟(4)所得圓片置于微波爐中在600-100(TC保溫5-200分鐘，然后隨爐冷卻。
(6)將步驟(5)所得圓片取出、研磨并過300目篩，得到具有良好層狀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的鋰離子電池多元層狀正極材料。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)Li、Ni、Co、Mn、Cr和Fe的乙酸鹽和硝酸鹽的熔點(diǎn)較低，在水浴或電爐上加熱即可轉(zhuǎn)變成液態(tài)；在液體狀態(tài)下，金屬離子能達(dá)到原子水平的均勻混合；上述熔鹽混合物在較低的溫度下會發(fā)生燃燒反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量可為原料的分解和正極材料的合成反應(yīng)提供能量；采用微波加熱燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，升溫迅速且均勻，不僅能避免晶粒異常長大，改善材料性能，還能大大縮短合成時間，大幅降低能耗；合成出的鋰離子電池正極材料具有良好的層狀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。


圖I是本發(fā)明實施例I和實施例2合成的二元層狀正極材料LiNi1/2Mn1/202和三元層狀正極材料LiNi1/3Co1/3Mn1/302的X射線衍射圖。圖2是本發(fā)明實施例I合成的二元層狀正極材料LiNi1/2Mn1/202不同倍率的首次充 放電曲線圖。圖3是本發(fā)明實施例2合成的三元層狀正極材料LiNi1/3Co1/3Mn1/302不同倍率的首次充放電曲線圖。
具體實施例方式實施例I :
以乙酸鋰、硝酸鎳和乙酸錳為原料快速合成鋰離子電池二元層狀正極材料LiNi1/2Mn1/202。(I)按n(Li) :n(Ni) :n(Mn)(摩爾比)=1. 1:0. 5:0. 5，準(zhǔn)確稱量乙酸鋰、硝酸鎳和乙
酸錳，裝入剛玉坩堝中。(2)將裝有步驟(I)配備的原料的坩堝在電爐上加熱，使原料熔化形成均勻的液體。(3)將裝有步驟(2)所得液體的坩堝移入加熱到500°C并恒溫的電爐中，使之發(fā)生燃燒反應(yīng)。(4)將步驟(3)所得反應(yīng)產(chǎn)物收集、研磨、過100目篩，用壓片機(jī)在15MPa的壓力下將其壓成圓片。(5)將步驟(4)所得圓片置于微波爐中在900°C保溫120分鐘，然后隨爐冷卻。(6)將步驟(5)所得圓片取出、研磨并過300目篩，得到具有a-NaFeO2型層狀結(jié)構(gòu)和良好電化學(xué)性能的LiNi1/2Mn1/202。
實施例2
以乙酸鋰、硝酸鎳、硝酸鈷和乙酸錳為原料快速合成鋰離子電池三元層狀正極材料
LiNi1Z3Co1Z3Mn1Z3O2。(I)按 η (Li) :n (Ni) :η (Co) :η (Mn)(摩爾比)=1. I: O. 33:0. 33:0. 33 準(zhǔn)確稱量乙酸鋰、硝酸鎳、硝酸鈷和乙酸錳，裝入剛玉坩堝中。(2)將裝有步驟(I)配備的原料的坩堝在電爐上加熱，使原料熔化形成均勻的液體。(3)將裝有步驟(2)所得液體的坩堝移入加熱到500°C并恒溫的電爐中，使之發(fā)生燃燒反應(yīng)。(4)將步驟(3)所得反應(yīng)產(chǎn)物收集、研磨、過100目篩，用壓片機(jī)在15MPa的壓力下將其壓成圓片。(5)將步驟(4)所得圓片置于微波爐中在900°C保溫120分鐘，然后隨爐冷卻。 (6)將步驟(5)所得圓片取出、研磨并過300目篩，得到具有a-NaFeO2型層狀結(jié)構(gòu)和良好電化學(xué)性能的LiNil73Col73Mnl73O20
權(quán)利要求
1.一種合成鋰離子電池多元層狀正極材料的方法，其特征在于具體步驟為 1)以乙酸鋰為鋰源，以熔點(diǎn)<200°C的Ni、Co、Mn、Fe和Cr的硝酸鹽或/和乙酸鹽為過渡金屬源，按目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量原料，裝入剛玉坩堝中；目標(biāo)產(chǎn)物為層狀結(jié)構(gòu)的多元正極材料LiMO2, M為Ni、Co、Mn、Fe和Cr中的兩種或多種； 2)將裝有步驟(I)配備的原料的坩堝在電爐或水浴中加熱，使原料熔化形成均勻的液體； 3)將裝有步驟(2)所得液體的坩堝移入加熱到400-600°C并恒溫的電爐中，使之發(fā)生燃燒反應(yīng)； 4)將步驟(3)所得反應(yīng)產(chǎn)物收集、研磨、過100目篩，用壓片機(jī)將其壓成圓片； 5)將步驟(4)所得圓片置于微波爐中在600-1000°C保溫5-200分鐘，然后隨爐冷卻； 6)將步驟(5)所得圓片取出、研磨并過300目篩。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速合成鋰離子電池多元層狀正極材料的方法。以乙酸鋰為鋰源，以熔點(diǎn)<200℃的Ni、Co、Mn、Fe和Cr的硝酸鹽或/和乙酸鹽為過渡金屬源，按目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量原料，裝入剛玉坩堝中(目標(biāo)產(chǎn)物為層狀結(jié)構(gòu)的多元正極材料LiMO2，M為Ni、Co、Mn、Fe和Cr中的兩種或多種)；將原料在電爐或水浴中加熱，使原料熔化形成均勻的液體，然后移入加熱到400-600℃并恒溫的電爐中，使之發(fā)生燃燒反應(yīng)；將燃燒反應(yīng)產(chǎn)物收集、研磨、過100目篩，壓成圓片，置于微波爐中在600-1000℃保溫5-200分鐘后隨爐冷卻冷卻；最后將圓片取出、研磨并過300目篩得到目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明不需用水，節(jié)能省時，工藝簡單，容易操作，所合成的多元層狀正極材料具有良好的電化學(xué)性能。
文檔編號H01M4/48GK102856540SQ201210373999
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月6日
發(fā)明者馬真, 葉乃清, 吳保明, 徐東 申請人:桂林理工大學(xué)