用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池技术

本发明专利技术公开了一种用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池，由通式LiNi0.5‑xGa2xMn1.5‑xO4表示的锂电池用正极材料，通式中，0＜2x≤0.4。本发明专利技术还提供一种上述正极材料的制备方法，应用上述正极材料制备的锂电池正极和锂电池。本发明专利技术提供的正极材料成本较低、环保性较好、纯度高以及具有良好的高温和大电流循环特性。

【技术实现步骤摘要】
用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池
本专利技术涉及电池领域，特别涉及一种用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池。
技术介绍
当前，人类正面临着资源估计和生存环境恶化的双重挑战。为此，世界各国正在努力研发新材料，推进低碳生活的新理念，促进人类社会由目前的高能耗、高消耗生活生产方式转向节能型、可循环的可持续发展方式。具体为大力推广清洁能源的应用，如太阳能、风能在发电领域的应用，以及使用混合动力汽车或纯电动汽车代替目前使用汽油的传统汽车。清洁能源和新型汽的应用均离不开中大型储能电池和动力电池。在众多储能电池和动力电池中，锂离子二次电池由于具有较高的能量密度和较长的使用寿命，已经逐渐取代传统的镍氢/镍镉二次电池，其在新能源汽车、风电储能和太阳能储能等新兴领域拥有巨大发展前景。锂离子二次电池包括正极、负极、设置在正极与负极之间的隔膜和电解液。其中，正极包括基体和涂覆在该基体上的涂覆材料，涂覆材料包括正极材料(正极活性物质)、导电材料和粘结剂。其中，正极材料是锂离子二次电池的关键原材料，由于正极材料在锂离子二次电池中占有较大的重量比，因此正极材料性能决定了电池的体型、安全性和电学性能。当前锂电池中使用的正极材料大多为LiCoO2，还有部分LiFePO4、LiMn2O4和LiNi1-xCoxO2。钴酸锂具有较高的比容量和较好的循环特性。但是，由于钴元素在地壳中的丰度低，属稀缺金属，因此价格昂贵，由此也导致此种材料的成本较高。此外，钴元素还具有一定的毒性，由钴酸锂制备的电池废弃后，对环境的危害较大。因此，需要提供一种价格较为低廉且环保性能较好的正极材料。LiFePO4具有结构稳定，原料便宜，循环性和安全性较好，对环境负担较小等优点，但是也存在着合成成本较高，能量密度较低等问题。尖晶石锰酸锂LiMn2O4具有安全性好、倍率特性好、价格低，环保等优点，也是目前的一种主流正极材料，但其能量密度偏低，循环性能与高温性能较差，很难满足大型动力锂离子电池和储能电池的要求。LiNi0.5Mn1.5O4具有锰酸锂同样的晶体结构，因此也具有安全性高、倍率特性好的优点。更为重要的是它的工作电压为4.7V，高于LiMn2O4，因此具有更高的功率密度。但是也有一些不足，比如难以制备高纯度样品，高温和大电流循环特性需要改进等问题。鉴于基于上述几点，本专利技术考虑选择了在正极材料中使用鎵元素，由此制备出成本较低、环保性较好、纯度高以及具有良好的高温和大电流循环特性的正极材料。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术解决的技术问题在于提供一种用于锂电池的正极材料及其制备方法，本专利技术提供的制备的正极材料成本较低、环保性较好、纯度高以及具有良好的高温和大电流循环特性。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种用于锂电池的正极材料，尤其是，所述正极材料由通式LiNi0.5-xGa2xMn1.5-xO4表示，该通式中，0＜2x≤0.4。优选的，在上述正极材料中，所述通式中，0.1≤2x≤0.2。优选的，在上述正极材料中，所述通式中，2x取值0.1或0.15。相应地，本专利技术还提供一种上述的正极材料的制备方法，包括如下步骤：a)、采用液相混合法，将锂源、锰源、镍源和镓源化合物按比例混合均匀，得到混合溶液；b)、对所述混合溶液进行喷雾干燥处理，得到前驱体；c)、将所述前驱体进行热处理，得到正极材料；优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述步骤a)中镍、镓和锰的摩尔比为0.4-0.475:0.05-0.2:1.4-1.475。优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述步骤d)中镍镓锰氧化物前躯体和锂源化合物的摩尔比为0.9-1:1-1.1。优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述步骤c)中热处理的温度为700-1000℃。优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述步骤c)中热处理的时间为10～48h。优选的，在上述正极材料的制备方法中，所述锰源化合物为醋酸锰，所述镍源化合物为醋酸镍，所述镓源化合物为硝酸镓，所述锂源化合物为氢氧化锂。本专利技术还提供一种锂电池正极，包括基体和置于基体表面的涂覆材料，所述涂覆材料包括上述所述的正极材料、导电材料和粘结剂。本专利技术还提供一种锂电池，包括：上述所述的锂电池正极、负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液利用本专利技术制备方法获得的正极材料，具备较高的纯度和良好的高温和大电流循环特性，同时，由于采用了镓元素，成本较低，环保性能好。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术具体实施例中正极材料的制备方法流程图；图2为本专利技术实施例1-3和比较例1获得的正极材料的XRD图谱；图3为由实施例1-3以及比较例1制备的正极材料所制成的实验电池在室温小电流下的循环特性曲线；图4为由实施例1-3以及比较例1制备的正极材料所制成的实验电池在高温大电流下的循环特性曲线。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种用于锂电池的正极材料，具有通式LiNi0.5-xGa2xMn1.5-xO4的结构，通式中0＜2x≤0.4。优选的，0.1≤2x≤0.2。更优选的，2x取值为0.1或0.15。该正极材料用以制备储能器件，包括锂一次电池和锂离子二次电池。该正极材料具有尖晶石结构和4.7伏工作电压平台。本专利技术提供的正极材料以价格较为低廉的锰、锂、镍和镓为原料，因此成本较低。本专利技术提供的正极材料采用镓元素，可以提高锂离子在晶体中的扩散速度，从而可以改善上述正极材料的高温和大电流循环特性。本专利技术还提供一种上述正极材料的制备方法，包括如下步骤：a)、采用液相混合法，将锂源、锰源、镍源和镓源化合物按比例混合均匀，得到混合溶液；b)、对所述混合溶液进行喷雾干燥处理，得到前驱体；c)、将所述前驱体进行热处理，得到正极材料；本专利技术提供的上述制备方法中，步骤a)、步骤b)是制备镍镓锰锂氧化物前躯体的工序。为了使各原料充分混合均匀，本专利技术首先采用液相混合法，将锂源、锰源、镍源和镓源化合物按比例混合均匀，从而使各元素在分子水平上进行混合，保证了产品的高纯度。对于液相混合的方式，本专利技术优选以去离子水为溶剂，以水溶性镓源化合物、水溶性镍源化合物和水溶性锰源化合物为原料，将上述原料溶于水中，得到混合溶液。优选的，上述原料中，镍、镓和锰的摩尔比为0.4-0.475:0.05-0.2:1.4-1.475。锂源化合物优选采用醋酸锂，硝酸锂、氢氧化锂或碳酸锂；水溶性镍源化合物优选采用醋酸镍、硝酸镍、氯化镍或硫酸镍；水溶性锰源化合物优选采用醋酸锰、硝酸锰、氯化锰或硫酸锰，水溶性镓源化合物优选采用硝酸镓。液相混合后得到含有镍镓锰氧化物前躯体的混合溶液，采用喷雾干燥对混合溶液进行处理便得到前躯体粉末。喷雾干燥是在干燥室热气流中使喷成雾状的液体物料干燥的方法。将混合溶液进行喷雾干燥处理后得到的粉末具有较高纯度，相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂电池的正极材料，其特征在于，所述正极材料由通式LiNi0.5‑xGa2xMn1.5‑xO4表示，该通式中，0＜2x≤0.4。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂电池的正极材料，其特征在于，所述正极材料由通式LiNi0.5-xGa2xMn1.5-xO4表示，该通式中，0＜2x≤0.4。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述通式中，0.1≤2x≤0.2。3.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述通式中，2x取值为0.1或0.15。4.一种如权利要求1所述的正极材料的制备方法，其特征在于，正极材料由通式LiNi0.5-xGa2xMn1.5-xO4表示，该通式中，0＜2x≤0.4，包括如下步骤：a)、采用液相混合法，将锂源、锰源、镍源和镓源化合物按比例混合均匀，得到混合溶液；b)、对所述混合溶液进行喷雾干燥处理，得到前驱体；c)、将所述前驱体进行热处理，得到正极材料。5.根据权利要求4所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中镍、镓和锰的摩尔比为0.4-0.475:0.05-0.2:1.4-1.475。6.根据权利要求4所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中镍鎵锰氧化物前躯体和锂源化合物的摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张平伟，李文斌，叶尚云，何兴，李锡力，李德成，
申请(专利权)人：个旧圣比和实业有限公司，
类型：发明
国别省市：云南,53