一种长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法技术

本发明专利技术公开了一种长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法，其特征在于：以可溶性金属M盐为原料(M为Mn和Li、Ni、Co、Al、Zn中的至少一种的混合)，以草酸为沉淀剂，在乙醇-水混合溶剂体系中，采用共沉淀反应，制备获得草酸盐棒状前驱体，再在空气气氛中焙烧后，即获得形貌均匀、单分散的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料；其中可通过调节乙醇-水混合溶剂体系中乙醇和水的体积比，调节所得电极材料的长径比。利用本发明专利技术的方法可以制备一系列能量密度和功率密度高的电极材料，显示很好的通用性；同时，该方法工艺简单，操作方便，反应的溶剂可以回收再利用，绿色环保，且易于工业放大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种化学电源电极材料的通用制备方法，特别涉及合成一种长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料，属于锂离子电池

技术介绍
锂离子电池能够高效率地进行能量转换和储存，已经成为储能领域发展的关键技术，并以其工作电压高、能量密度大、无记忆效应以及使用寿命长等特点，受到各领域广泛地的关注。随着人类社会的不断进步，便携式电子产品趋于小型化、轻型化，特别是电动汽车和电网储能的迅猛发展，商业化的钴酸锂电极材料已经满足不了动力型和储能型锂离子电池的要求。因此，设计和开发出生产成本低、安全性高的高能量密度和高功率密度的新型锂离子电池电极材料具有相当重要的意义。锰基锂离子电池电极材料，如xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、xLi2MnO3·(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNixCo1-x-yMnyO2、LiMn2O4、ZnxMn2-xO4、NixMn2-xO4(0＜x＜1)等，因其能量和功率密度高、成本低等优势，从而得到广泛的研究。但由于锂离子电池充放电过程中锂离子扩散速度较慢，不利于电化学性能的提高，而形貌均匀、单分散的一维微纳结构电极材料在充放电过程中能够保持一致的充放电状态，同时一维微纳结构能缩短锂离子的扩散路径，缓冲锂离子在嵌入和脱出过程中引起的结构应变，提高电极材料的循环稳定性，有效地提高锂离子电池的电化学性能。因此，制备形貌均匀的一维微纳结构锂离子电池电极材料具有重要意义。例如，直径在100-400nm、长度>10μm的LiNi0.5Mn1.5O4多孔纳米棒曾被报道通过微乳液法制备，其在1C和20C倍率下放电比容量分别达到140和109mAh·g-1，在5C倍率下循环500次后容量保持率达到91％(参见：X.L.Zhang,F.Y.Cheng,J.G.Yang,J.Chen,LiNi0.5Mn1.5O4porousnanorodsashigh-rateandlong-lifecathodesforLi-ionbatteries[J],NanoLetters,2013,13(6):2822-2825.)；直径100nm、长度>3μm的富锂Li0.88[Li0.18Co0.33Mn0.49]O2纳米线也曾被报道通过水热法制备，放电比容量在0.2C和15C倍率下分别达到245和220mAh·g-1，其在15C倍率下的比容量与0.2C相比，保持率高达90％，显示了很好的倍率性能(参见：Y.Lee,M.G.Kim,J.Cho,LayeredLi0.88[Li0.18Co0.33Mn0.49]O2nanowiresforfastandhighcapacityLi-ionstoragematerial[J],NanoLetters,2008,8(3):957-961.)。但是这些方法需要借助表面活性剂构成的微乳液体系或者需要高温高压的水热条件，工艺条件较为复杂，而且还没有报道过一种通用的能够合成一系列一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的方法
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法。所要解决的技术问题是在乙醇-水混合溶剂体系中，以草酸为沉淀剂，采用共沉淀反应，通过调控体系中乙醇-水的体积比，制备得到长径比可调的形貌均匀、单分散的草酸盐棒状前驱，再经过焙烧后，得到形貌保持良好的一系列一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料。为了实现上述目的，本专利技术的具体技术方案如下：本专利技术长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法，其特点在于：以可溶性金属M盐为原料，以草酸为沉淀剂，在乙醇-水混合溶剂体系中，采用共沉淀反应，制备获得草酸盐棒状前驱体；对所述草酸盐棒状前驱体在空气气氛中焙烧后，即获得形貌均匀、单分散的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料；所述可溶性金属M盐中M含Mn和Li、Ni、Co、Al、Zn中的至少一种的混合。所述可溶性金属M盐为乙酸盐、氯化盐、硝酸盐或硫酸盐。本专利技术长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法，其特点也在于：通过调节所用可溶性金属M盐的类型和所用可溶性金属M盐中各金属离子的摩尔比，获得不同的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料；如xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、xLi2MnO3·(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNixCo1-x-yMnyO2、LiMn2O4、ZnxMn2-xO4、NixMn2-xO4(0＜x＜1)等。通过调节乙醇-水混合溶剂体系中乙醇和水的体积比，调节所得一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的长径比。具体的，本专利技术的通用制备方法包括如下步骤：(1)按照目标产物化学式中各金属离子的化学计量比，将相应的可溶性金属M盐混合，获得混合金属盐；室温下，将所述混合金属盐溶于水中，然后再加入乙醇并搅拌均匀，得到混合金属盐溶液；所述混合金属盐溶液中金属离子的浓度为0.01-1.5mol·L-1；(2)将草酸溶于乙醇-水混合溶剂中，得到草酸溶液；所述草酸溶液的浓度为0.01-3mol·L-1；(3)将所述混合金属盐溶液倒入所述草酸溶液中，搅拌所得混合反应液3-8小时至反应完全，得到MC2O4·xH2O悬浮液；在所述混合反应液中，金属离子的摩尔量之和与草酸根离子的摩尔量比例为1:(1.0-2.0)；(4)将所述MC2O4·xH2O悬浮液于80-120℃下蒸干，得到MC2O4·xH2O前驱物粉末；(5)在空气气氛中，将所得MC2O4·xH2O前驱物粉末于300-500℃煅烧4-12小时，再于600-900℃煅烧10-30小时，即得目标产物一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、现有制备一维微纳结构锂离子电池电极材料的常规方案是在微乳液体系或者高温高压的水热条件下进行，操作复杂、重复性不够稳定。本专利技术通过在乙醇-水混合溶剂体系中利用一种通用的方法合成了一系列形貌均匀、单分散的高性能锂离子电池电极材料，乙醇的加入一方面减小反应体系的介电常数，增大了晶体成核动力学速率，另外还改变了溶液中离子与溶剂之间的相互作用的相对大小，溶剂化数少的锰离子与草酸反应的动力学速率较大，在反应的初期形成草酸锰纳米棒晶种；而形成草酸镍、草酸钴等草酸盐的反应速率较小，所生成的草酸镍、草酸钴纳米片能够依附草酸锰纳米棒生长；同时乙醇选择性地吸附在晶核表面，对引导晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法，其特征在于：以可溶性金属M盐为原料，以草酸为沉淀剂，在乙醇‑水混合溶剂体系中，采用共沉淀反应，制备获得草酸盐棒状前驱体；对所述草酸盐棒状前驱体在空气气氛中焙烧后，即获得形貌均匀、单分散的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料；所述可溶性金属M盐中M为Mn和Li、Ni、Co、Al、Zn中的至少一种的混合。

【技术特征摘要】
1.一种长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制备方法，其特征在
于：以可溶性金属M盐为原料，以草酸为沉淀剂，在乙醇-水混合溶剂体系中，采用共沉淀
反应，制备获得草酸盐棒状前驱体；对所述草酸盐棒状前驱体在空气气氛中焙烧后，即获得
形貌均匀、单分散的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料；所述可溶性金属M盐中M为
Mn和Li、Ni、Co、Al、Zn中的至少一种的混合。
2.根据权利要求1所述的长径比可调的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料的通用制
备方法，其特征在于：通过调节所用可溶性金属M盐的类型和所用可溶性金属M盐中各金
属离子的摩尔比，获得不同的一维微纳结构锰基锂离子电池电极材料；
通过调节乙醇-水混合溶剂体系中乙醇和水的体积比，调节所得一维微纳结构锰基锂离子
电池电极材料的长径比。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照目标产物化学式中各金属离子的化学计量比，将相应的可溶性金属M盐混合，
获得混合金属盐；室温下，将所述混合金属盐溶于水中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨则恒，刘树林，李昇，马国，张卫新，方立贵，谢中平，王长平，曹宗元，陆剑波，马紫峰，杨扬，
申请(专利权)人：合肥工业大学，中盐安徽红四方股份有限公司，上海中聚佳华电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34