【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于但不限于電極材料，尤其涉及一種高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料、制備方法與鋰離子電池。
技術(shù)介紹
1、鋰離子電池具有高工作電壓、高能量/體積密度、無記憶效應(yīng)、自放電少等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品、電動汽車及儲能等領(lǐng)域。正極材料是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料之一。憑借著高工作電壓(4.7v,vs.li/li+)、無鈷、低成本等優(yōu)勢，尖晶石結(jié)構(gòu)的鎳錳酸鋰lini0.5mn1.5o4材料成為了下一代高能量密度鋰離子電池的候選正極材料之一。
2、目前，鎳錳酸鋰正極材料的制備方法主要有高溫固相法、熔融鹽法、共沉淀法、溶膠凝膠法等。
3、高溫固相法是將鋰源、鎳源、錳源直接固相混合，并經(jīng)過高溫煅燒獲得鎳錳酸鋰；熔融鹽法是利用一種或多種低熔點的鹽類作為反應(yīng)介質(zhì)，一定溫度下將原料完全溶解后在原子級發(fā)生反應(yīng)，然后采用合適的溶劑將鹽類溶解，經(jīng)過濾洗滌后獲得鎳錳酸鋰；共沉淀法是在鎳源、錳源的水溶液中加入沉淀劑、絡(luò)合劑，使鎳、錳離子共同沉淀，然后經(jīng)過濾、洗滌得到鎳錳氫氧化物或碳酸鹽的前驅(qū)體，將前驅(qū)體與鋰鹽充分混合后經(jīng)高溫煅燒得到鎳錳酸鋰；溶膠凝膠法是將原料于液相環(huán)境中均勻混合，經(jīng)縮合及水解反應(yīng)形成透明溶膠體系，經(jīng)陳化聚合過程形成凝膠，經(jīng)干燥、高溫煅燒獲得鎳錳酸鋰。
4、鑒于上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的急需解決的技術(shù)問題為：
5、(1)現(xiàn)有制備方法獲得的鎳錳酸鋰材料大多為亞微米級粒徑的一次顆粒，存在粒徑不均一、團聚嚴重等問題，從而導(dǎo)致材料的振實密度低；
6、(2)現(xiàn)有制備方法大多存在工
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)提供了一種高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料、制備方法與鋰離子電池，旨在解決現(xiàn)有的鎳錳酸鋰正極材料存在的振實密度低、制造成本高等問題。
2、本專利技術(shù)是這樣實現(xiàn)的，一種高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料，化學(xué)通式為lini0.5-xmn1.5-ymxnyo4，其中，0≤x<0.1，0≤y<0.1，m、n為摻雜元素，包括但不限于mg、co、al、zr、w、sb、ta、ti中的一種或多種；
3、材料為一種由納米級八面體的一次顆粒堆疊聚集而成的微米級球形二次顆粒，分散均勻、無團聚；
4、球形二次顆粒由大、小兩種粒徑分布的球形二次顆粒混合而成，大顆粒的平均粒徑范圍為3<d50<5μm，小顆粒的平均粒徑范圍為1<d50<2μm；
5、本專利技術(shù)的另一目的在于提供一種制備所述高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料的制備方法，包括：
6、s1，配制反應(yīng)溶液：將li源、ni源、mn源、m源、n源、反應(yīng)助劑溶于去離子水中，配制反應(yīng)溶液；
7、s2，一步噴霧熱解法制備兩種粒徑分布的球形鎳錳酸鋰正極材料：將上述反應(yīng)溶液霧化成微米霧滴，隨載氣進入熱解反應(yīng)器，在極短時間內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)、干燥、沉積、熱解等一系列反應(yīng)過程，最后在尾端收集得到球形鎳錳酸鋰正極材料。
8、進一步，s1中，li源為li的羧酸鹽、硝酸鹽、氯化物中的一種或多種，li與ni、mn、m元素總量的摩爾比為1.0-1.1:1；
9、ni源、mn源、m源、n源分別為ni、mn、m、n的羧酸鹽、硝酸鹽、氯化物中的一種或多種，ni、mn、m、n離子在反應(yīng)溶液中的總濃度為1-10mol/l；
10、反應(yīng)助劑為檸檬酸、尿素、氨水中的一種或多種，反應(yīng)助劑與ni、mn、m、n元素總量的摩爾比為0.3-0.7:1。
11、進一步，s2中，通過在噴霧過程中階段性改變微米霧滴的粒徑分布，實現(xiàn)在一步噴霧熱解過程中獲得兩種粒徑分布的球形鎳錳酸鋰正極材料，以及調(diào)控最終產(chǎn)物中大、小顆粒的相對含量；
12、通過調(diào)控反應(yīng)溶液的黏度、表面張力以及霧化技術(shù)來控制霧滴的粒徑分布，大霧滴的平均粒徑范圍為3<d50<5μm，小霧滴的平均粒徑范圍為1<d50<2μm；
13、熱解反應(yīng)器為雙溫區(qū)控制，前端溫區(qū)的溫度控制為250-550℃，后端溫區(qū)的溫度控制為700-1000℃；
14、微米霧滴在熱解反應(yīng)器中的停留時間為30-180s，大粒徑霧滴的停留時間略大于小粒徑霧滴；
15、載氣為含氧氣氛，氧氣的含量為20-100％。
16、本專利技術(shù)的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料的鋰離子電池，所述鋰離子電池包含所述的高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料。
17、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本專利技術(shù)所要保護的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點及積極效果為：
18、第一、本專利技術(shù)的優(yōu)點包括：
19、1.球形二次顆粒形貌，分散均勻且無團聚，可以大大提高材料的振實密度；
20、2.在一步噴霧熱解過程中制備大、小兩種粒徑分布的球形鎳錳酸鋰材料，可以利用小顆粒填充大顆粒之間的空隙，進一步提高材料的振實密度；
21、3.球形二次顆粒內(nèi)部布滿晶隙，為電解液的滲入提供了足夠的空間，可以保證一次顆粒與電解液間的充分浸潤，減少鋰離子擴散距離，從而提高材料的電化學(xué)性能；
22、4.一步噴霧熱解法的工藝過程簡單、反應(yīng)迅速，無需復(fù)雜的共沉淀、過濾、洗滌、粉碎、煅燒等步驟，不產(chǎn)生廢水，可以大大提高生產(chǎn)效率，降低制造成本；
23、5.由于霧滴在快速的反應(yīng)過程中來不及發(fā)生組分偏析，噴霧熱解法可以保證組分分布和形貌粒徑的一致性；
24、6.引入的反應(yīng)助劑，不僅可以通過調(diào)控霧滴的黏度和表面張力來獲得不同粒徑分布的微米霧滴，而且可以通過提供熱值以及調(diào)控霧滴的表面/體相沉淀反應(yīng)來制備實心的球形顆粒。
25、第二，本專利技術(shù)通過優(yōu)化鎳錳酸鋰正極材料的制備參數(shù)和結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的多個關(guān)鍵問題，并取得了顯著的技術(shù)進步，具體如下：
26、1)提升振實密度和能量密度
27、在現(xiàn)有技術(shù)中，鎳錳酸鋰正極材料往往由于顆粒結(jié)構(gòu)和分布不均勻，導(dǎo)致振實密度偏低，從而限制了電池的能量密度。本專利技術(shù)采用大、小粒徑的雙粒徑結(jié)構(gòu)，且通過噴霧熱解法調(diào)控大顆粒(3μm<d50<5μm)和小顆粒(1μm<d50<2μm)的比例分布，形成高振實密度的微米級球形顆粒。該方法有效增加了單位體積內(nèi)活性材料的填充量，顯著提升了電池的能量密度，從而提高了整體電池容量和續(xù)航能力。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中能量密度不足的問題。
28、2)改善離子傳導(dǎo)性和倍率性能
29、現(xiàn)有技術(shù)中的鎳錳酸鋰材料在大電流充放電條件下易產(chǎn)生電阻增大、倍率性能不佳的問題。本專利技術(shù)通過納米級八面體堆疊的微米球形結(jié)構(gòu)，提升了離子和電子的傳導(dǎo)路徑。通過摻雜元素m、n(如mg、co、al等)，進一步優(yōu)化了材料的晶格結(jié)構(gòu)，提高了離子擴散速率和導(dǎo)電性，從而在高倍率充放電時仍能保持較低的內(nèi)阻本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料，其特征在于，化學(xué)通式為LiNi0.5-xMn1.5-yMxNyO4，其中，0≤x<0.1，0≤y<0.1，M、N為摻雜元素，包括Mg、Co、Al、Zr、W、Sb、Ta、Ti中的一種或多種；
2.一種制備如權(quán)利要求1所述高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料的高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料制備方法，其特征在于，包括：
3.如權(quán)利要求1所述的鎳錳酸鋰正極材料制備方法，其特征在于，S1中，Li源為Li的羧酸鹽、硝酸鹽、氯化物中的一種或多種，Li與Ni、Mn、M、N元素總量的摩爾比為1.0-1.1:1；
4.如權(quán)利要求1所述的鎳錳酸鋰正極材料制備方法，其特征在于，S2中，通過在噴霧過程中階段性改變微米霧滴的粒徑分布，實現(xiàn)在一步噴霧熱解過程中獲得兩種粒徑分布的球形鎳錳酸鋰正極材料，以及調(diào)控最終產(chǎn)物中大、小顆粒的相對含量；
5.一種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料的鋰離子電池，所述鋰離子電池包含所述的高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料，其特征在于，化學(xué)通式為lini0.5-xmn1.5-ymxnyo4，其中，0≤x<0.1，0≤y<0.1，m、n為摻雜元素，包括mg、co、al、zr、w、sb、ta、ti中的一種或多種；
2.一種制備如權(quán)利要求1所述高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料的高振實密度的鎳錳酸鋰正極材料制備方法，其特征在于，包括：
3.如權(quán)利要求1所述的鎳錳酸鋰正極材料制備方法，其特征在于，s1中，li源為li的羧酸...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李際洋，賴浩然，葛震，陳曦，張熙貴，吳孟強，李正偉，張洋，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)長三角研究院湖州，
類型：發(fā)明
國別省市：
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