一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的无钴富锂锰基正极材料的化学式为Li

【技术实现步骤摘要】
一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着锂离子电池的快速发展，其应用越来越广泛，小到手机、平板大到航空航天等领域；尤其是近些年来，电力汽车和混合电力汽车的出现将锂离子电池的应用与消耗推上了新的高潮。众所周知，正极材料作为锂离子电池中重要的一部分，其性能的优劣直接影响到了整个电池的应用，而面对着如此大批量电池的制造与消耗，目前常见的富锂锰基正极材料不仅价格昂贵而且其中的钴资源储量少，对环境危害极大，因此对无钴富锂锰基正极材料的研究是有着重要意义的。
[0003]现有技术研究发现，虽然无钴富锂锰基正极材料天然具备对环境友好和制造成本低的优势，并且有着高比容量、高电压平台、大能量密度等特点，但是其层状结构稳定性较差，导致材料的循环性能及倍率性能低，因此加强材料的结构稳定性，提高材料的循环性能、倍率性能的关键，也一直是无钴富锂锰基正极材料所面临的挑战之一，因此寻找一种简单有效的问题解决方法成为了锂离子电池研究的重点之一。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维及其制备方法和应用，本专利技术提供的无钴富锂锰基正极材料的化学式为Li
1.2
Mn
0.6
‑
x
Ni
0.2
‑
3y/2
Mg
x
B
y
O2，x表示Mg的掺杂量，y表示B的掺杂量，其中0.01≤x≤0.03，0.01≤y≤0.02，本专利技术制得的无钴富锂锰基纳米纤维具有多孔结构，其大的比表面积有利于提升材料的电化学性能；同时镁离子掺杂能够增大材料的晶面间距，硼离子掺杂能够形成强化学键从而抑制层状结构发生相变，二者共同作用极大提高层状结构的稳定性，并抑制无钴富锂锰基正极材料层状结构向尖晶石结构的转变，从而提高材料的电化学性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将可溶性金属盐、二水合醋酸锂、硼酸溶于N,N'
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，得到原料液：
[0008]其中，所述可溶性金属盐由锰盐、镍盐、镁盐组成；
[0009](2)将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂中，得到聚乙烯吡咯烷酮溶液；
[0010](3)将步骤(1)的原料液加入至步骤(2)的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，搅拌均匀，得到纺丝前驱体溶液；
[0011](4)将步骤(3)的纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到聚乙烯吡咯烷酮复合纳米纤维；
[0012](5)将步骤(4)的聚乙烯吡咯烷酮复合纳米纤维于空气中，先由室温升至400
‑
450℃预烧3
‑
5h，然后于800
‑
900℃煅烧8
‑
12h，再自然冷却至室温，得到双阳离子掺杂的无钴富锂锰基多孔纳米纤维。
[0013]优选的，所述步骤(1)中可溶性金属盐为锰盐、镍盐、镁盐的乙酸盐或硝酸盐或二者的混合；
[0014]其中，锰盐、镍盐、镁盐的总浓度为1.0
‑
1.5mol/L；锰盐浓度为0.73
‑
1.1mol/L，镍盐的浓度为0.23
‑
0.37mol/L，镁盐的浓度为0.02
‑
0.045mol/L。
[0015]优选的，所述二水合醋酸锂、可溶性金属盐、硼酸的摩尔比为1.25
‑
1.3：0.77
‑
0.785：0.01
‑
0.02。
[0016]优选的，所述步骤(2)的溶剂选自无水乙醇或N,N'
‑
二甲基甲酰胺，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.07
‑
0.15mg/mL。
[0017]优选的，所述步骤(3)中原料液与聚乙烯吡咯烷酮溶液的体积比为1：2
‑
4。
[0018]优选的，所述步骤(4)中静电纺丝的条件为：接收距离15
‑
20cm、电压为10
‑
18kV。
[0019]本专利技术还保护了制备方法制得的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维，所述双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维的分子式为Li
1.2
Mn
0.6
‑
x
Ni
0.2
‑
3y/2
Mg
x
B
y
O2，其中0.01≤x≤0.03，0.01≤y≤0.02。
[0020]本专利技术还保护了双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维在制备锂离子电池正极极片中的应用。
[0021]优选的，所述锂离子电池正极极片按照如下步骤制备：
[0022]将双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯加入至N
‑
甲基吡咯烷酮中，经混合并研磨得到浆料，将浆料均匀涂覆于集流体铝箔上，经干燥及压片后制成锂离子电池正极极片；
[0023]双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯的质量比为8：1：1。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0025](1)本专利技术制得的无钴富锂锰基纳米纤维具有多孔结构，其大的比表面积有利于提升材料的电化学性能。
[0026](2)本专利技术的制备方法包括如下步骤：S1、配置掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维的前驱体溶液；S2、静电纺丝制备PVP复合纳米纤维；S3、煅烧制备双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维。本专利技术将镁离子、硼离子替位过渡金属离子，其中镁离子掺杂能够增大材料的晶面间距，硼离子掺杂可以形成强化学键从而抑制层状结构发生相变，二者共同作用能够极大提高层状结构的稳定性，并抑制无钴富锂锰基正极材料层状结构向尖晶石结构的转变，从而提高材料的电化学性能。
[0027](3)本专利技术所使用的的静电纺丝法工艺简单，对环境要求低，设备投资少，原料成本低，重现性好，适合批量生产。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例1制备的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维和对比例1制备的无钴富锂锰基多孔纳米纤维的SEM对照图；其中，左图为对比例1样品的SEM图，右图
为实施例1样品的SEM图；
[0029]图2为本专利技术实施例1制备的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维和对比例1制备的无钴富锂锰基多孔纳米纤维的TEM图；其中，左图为对比例1样品图，右图为实施例1样品图；
[0030]图3为本专利技术实施例1制备的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维和对比例1制备的无钴富锂锰基多孔纳米纤维的XRD对照图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将可溶性金属盐、二水合醋酸锂、硼酸溶于N,N
’‑
二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，得到原料液：其中，所述可溶性金属盐由锰盐、镍盐、镁盐组成；(2)将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂中，得到聚乙烯吡咯烷酮溶液；(3)将步骤(1)的原料液加入至步骤(2)的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，搅拌均匀，得到纺丝前驱体溶液；(4)将步骤(3)的纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到聚乙烯吡咯烷酮复合纳米纤维；(5)将步骤(4)的聚乙烯吡咯烷酮复合纳米纤维于空气中，先由室温升至400
‑
450℃预烧3
‑
5h，然后于800
‑
900℃煅烧8
‑
12h，再自然冷却至室温，得到双阳离子掺杂的无钴富锂锰基多孔纳米纤维。2.根据权利要求1所述的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中可溶性金属盐为锰盐、镍盐、镁盐的乙酸盐或硝酸盐或二者的混合；其中，锰盐、镍盐、镁盐的总浓度为1.0
‑
1.5mol/L；锰盐浓度为0.73
‑
1.1mol/L，镍盐的浓度为0.23
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0.37mol/L，镁盐的浓度为0.02
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0.045mol/L。3.根据权利要求1所述的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述二水合醋酸锂、可溶性金属盐、硼酸的摩尔比为1.25
‑
1.3：0.77
‑
0.785：0.01
‑
0.02。4.根据权利要求1所述的双阳离子掺杂无钴富锂锰基多...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超强，王新昌，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：