一种具有三层空心球结构的正极活性材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开一种具有三层空心球结构的正极活性材料及其制备方法、应用，该制备方法包括将葡萄糖、醋酸锰和醋酸镍依次加入到去离子水中，水浴条件下溶解，将溶解完成后的溶液倒入水热釜中进行溶剂热反应得到前驱体；将醋酸锂均匀溶于前驱体的乙醇溶液中，去除无水乙醇后进行烧结，得到结晶性良好、无其他杂相的正极活性材料。本发明专利技术提供的制备方法工艺简单、成本低，且制备得到的正极活性材料为微米尺度三层空心球结构，球壳呈多孔状，球壳由互相连接的纳米颗粒组成，将该正极活性材料用于锂离子电池中可使锂离子电池具有高能量密度、优异的倍率性能以及出色的长循环稳定性。的倍率性能以及出色的长循环稳定性。的倍率性能以及出色的长循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有三层空心球结构的正极活性材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及正极活性材料制备
，尤其是一种具有三层空心球结构的正极活性材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备和电动汽车等领域的持续快速发展，人类社会对锂离子电池的能量密度、循环性能和倍率性能提出了更高的要求。
[0003]就目前的锂离子电池正极活性材料研究而言，尖晶石型LiNi
0.5
Mn
1.5
O4由于具有高能量密度(～650Wh kg
‑1)以及极高的工作电压(4.7V vs.Li)而受到广大研究者的关注，是下一代商用锂离子电池正极活性材料最有希望的候选者。
[0004]然而，目前尖晶石型正极活性材料LiNi
0.5
Mn
1.5
O4的循环性能和倍率性能距离商业化要求还有很大差距。因此，提高其循环性能和倍率性能具有十分重要的商业价值和现实意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种具有三层空心球结构的正极活性材料及其制备方法、应用，用于克服现有技术中LiNi
0.5
Mn
1.5
O4的循环性能和倍率性能较差等缺陷。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种具有三层空心球结构的正极活性材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1：将葡萄糖、醋酸锰和醋酸镍依次加入到去离子水中，水浴条件下溶解，将溶解液倒入水热釜中，水热反应，得到前驱体；r/>[0008]S2：将醋酸锂和所述前驱体加入到无水乙醇中，搅拌蒸干，烧结，得到具有三层空心球结构的正极活性材料。
[0009]为实现上述目的，本专利技术还提出一种具有三层空心球结构的正极活性材料，由上述所述制备方法制备得到；所述正极活性材料呈微米尺度三层空心球结构，球壳呈多孔状，球壳由互相连接的纳米颗粒组成。
[0010]为实现上述目的，本专利技术还提出一种具有三层空心球结构的正极活性材料的应用，将由上述所述制备方法制备得到的正极活性材料或者上述所述正极活性材料应用于锂离子电池中。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：
[0012]1、本专利技术提供的具有三层空心球结构的正极活性材料的制备方法，首先将葡萄糖、醋酸锰和醋酸镍依次加入到去离子水中，水浴条件下溶解，将溶解完成后的溶液倒入水热釜中进行溶剂热反应得到前驱体。在溶剂热反应中，部分葡萄糖分子作为自模板首先聚合生成多糖分子，Ni
2+
和Mn
4+
吸附在其表面生成配合物，然后，配合物表面的过渡金属离子继续吸附游离的葡萄糖分子并聚合成多糖分子，反复此过程并随着多糖碳化，最终生成过
渡金属离子均匀分布的碳球前驱体。而后将醋酸锂均匀溶于前驱体的乙醇溶液中，自然蒸干无水乙醇后进行烧结，前驱体中的碳在低温烧结阶段会慢慢变为CO2挥发，形成多层空心球结构的过渡金属氧化物，然后在高温烧结阶段与醋酸锂发生固相反应得到结晶性良好、无其他杂相的正极活性材料。本专利技术提供的制备方法工艺简单、成本低、适合大批量制备，且制备得到的正极活性材料具有多层空心球结构和微纳分级多孔结构，微纳分级多孔结构可以增加电解液的渗透并加快锂离子传输，提高电池放电比容量和倍率性能，三层空心结构能够更有效的缓冲锂离子在重复脱嵌过程中产生的体积和应力变化，提高了电池的长循环稳定性。
[0013]2、本专利技术提供的具有三层空心球结构的正极活性材料为微米尺度三层空心球结构，球壳呈多孔状且由互相连接的纳米颗粒组成。这种微纳分级多孔结构更有利于电解液浸润和锂离子的快速传输，从而保证锂离子电池具有较高的放电比容量和优异的倍率性能；同时，多层空心结构能够有效的缓冲锂离子在重复脱嵌过程中产生的体积和应力变化，从而提高了锂离子电池的长循环稳定性。将该正极活性材料用于锂离子电池中可使锂离子电池具有高能量密度、优异的倍率性能以及出色的长循环稳定性。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
[0015]图1为为实施例1制备得到的尖晶石型锂离子电池正极活性材料LiNi
0.5
Mn
1.5
O4的XRD谱图；
[0016]图2为实施例1制得的前驱体在1μm下的SEM图片；
[0017]图3为实施例1制得的前驱体在0.5μm下的TEM图片；
[0018]图4为实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4在1μm下的SEM图片；
[0019]图5a为实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4在500nm下的TEM图片；
[0020]图5b为实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4在500nm下的TEM图片；
[0021]图5c为实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4在200nm下的TEM图片；
[0022]图5d为实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4在5nm下的高分辨TEM图片；
[0023]图6为以实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4作为正极的锂离子电池循环性能图；
[0024]图7为以实施例1制得的LiNi
0.5
Mn
1.5
O4作为正极的锂离子电池倍率性能图。
[0025]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普
通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。
[0028]无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
[0029]本专利技术提出一种具有三层空心球结构的正极活性材料的制备方法，包括以下步骤：
[0030]S1：将葡萄糖、醋酸锰和醋酸镍依次加入到去离子水中，水浴条件下溶解，将溶解液倒入水热釜中，水热反应，得到前驱体；
[0031]S2：将醋酸锂和所述前驱体加入到无水乙醇中，搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三层空心球结构的正极活性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将葡萄糖、醋酸锰和醋酸镍依次加入到去离子水中，水浴条件下溶解，将溶解液倒入水热釜中，水热反应，得到前驱体；S2：将醋酸锂和所述前驱体加入到无水乙醇中，搅拌蒸干，烧结，得到具有三层空心球结构的正极活性材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述葡萄糖、醋酸锰、醋酸镍和醋酸锂的摩尔比为(4～6):3:1:2.1。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水浴条件为：水浴温度为25～45℃。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水热反应的温度为150～190℃，时间为8～10h。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述无水乙醇的用量为60～80mL。6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述搅拌蒸干为室温下磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙巍巍，郑春满，刘双科，李宇杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：