高锰多晶正极材料及其制备方法、动力锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种高锰多晶正极材料及其制备方法、动力锂离子电池，要解决的技术问题是提高电池的能量密度和高温循环性能。本发明专利技术的高锰多晶正极材料的通式为：ＬｉｗＭｎｘ（ＣｏＮｉ）ｙＯｚ，Ｍｎ重量≥４０％ＬｉｗＭｎｘ（ＣｏＮｉ）ｙＯｚ重量。本发明专利技术的制备方法包括前驱体制备，单晶烧成，多晶合成。本发明专利技术的动力锂离子电池，正极活性物质为ＬｉｗＭｎｘ（ＣｏＮｉ）ｙＯｚ，Ｍｎ重量≥４０％ＬｉｗＭｎｘ（ＣｏＮｉ）ｙＯｚ重量。本发明专利技术与现有技术相比，正极材料比能量在１５５Ｗｈ／Ｋｇ以上，５５℃１Ｃ充放电５００次循环容量保持率≥８０％，２５℃循环寿命≥１０００次，容量保持＞８０％，材料的加工性能良好，可用于自行车，电动汽车，以及风电、核电、太阳能、电网调峰等行业储能系统。

High manganese polycrystal positive electrode material and preparation method thereof, power lithium ion battery

The invention discloses a high manganese polycrystalline positive electrode material, a preparation method thereof and a power lithium ion battery, and the technical problem to be solved is to improve the energy density and the high temperature cycle performance of the battery. The general formula of high manganese polycrystalline cathode material of the invention is: LiwMnx (CoNi) yOz, Mn = 40%LiwMnx (CoNi) yOz weight weight. The preparation method of the invention includes precursor preparation, single crystal sintering and polycrystal synthesis. Power lithium ion battery of the invention, a cathode active material for LiwMnx (CoNi) yOz, Mn = 40%LiwMnx (CoNi) yOz weight weight. Compared with the prior art, the cathode is energy in 155Wh / Kg, 55 C 1C 500 charge discharge cycles the capacity retention rate is more than 80%, 25 degrees more than 1000 times the cycle life and capacity to maintain more than 80%, the processing property of materials is good, can be used for bicycles, electric cars, and wind power, nuclear power, solar energy and the power peaking industries such as energy storage system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电池正极材料及其制备方法、动力锂离子电池，特别是一种高锰多晶正极材料及其制备方法、以及使用该材料制成的动力锂离子电池。
技术介绍
目前，动力锂离子电池快速发展。动力电池的性能、成本和安全性，很大程度上决定了电动力汽车的发展进程。不仅如此，风电、核电、太阳能、电网调峰、新能源汽车都离不开动力电池，其技术突破将带动整个新能源产业链的发展，动力电池将成为各种新能源的储能工具，取代燃油成为移动能源的主要供应设备。电动自行车作为节能、便捷的新型交通工具，已逐渐被消费者认可，2007年我国电动车保有量已经超过2000万辆，中国电动车业有了跨越式发展。但是，在发展的同时仍然还存在诸多的问题，如安全、环保等仍是首要问题。目前国内市场电动车配备的电池依然主要是铅酸电池，由于其低能量密度，高污染的弊病逐渐被人们所认识，因此寻找新的可替代的产品成为行业乃至全球的努力方向。其次是镍氢电池其技术成熟，购置和使用成本较低，无污染，但是，镍氢电池具有难以克服的缺点，记忆效应给镍氢电池的使用带来不便。除此以外，镍氢电池自放电率高、比能量较小，这些缺点的存在使镍氢电池只能是过渡产品。随着锂离子电池的问世，锂离子电池具有高能量等诸多显著优点，在各储能设备中逐步取代了镍氢电池。锂离子电池的特点如下1)工作电压高，3.6V以上，是镉-镍、镍-氢电池的三倍；2)体积小，比镍-氢电池小30％；3)质量轻，比镍-氢电池轻50％；4)比能量高，120～150wh/kg，是镉-镍电池的2～3倍，镍-氢电池的1～2倍；5)无记忆效应。 钴酸锂作为最早产业化成熟的正极材料具有能量密度高，循环性能好的优点，但成本高，安全性差的原因确定使其在动力电池上的应用受到制约。钴镍锰三元正极具有能量密度高，循环性能好的优点，但安全性和成本问题仍然是该材料在动力电池上应用的障碍。目前动力电池正极材料的研究方向基本以磷酸铁锂和锰酸锂为主。锰酸锂具有价格便宜、安全性好的优点，但存在高温循环性能差，自放电现象严重的缺陷，虽然进行掺杂Co、Ni、Mg、Al元素改性，受成本的影响该材料在动力电池上仍难独立使用。磷酸铁锂电池正极材料的安全评判优异，因其工艺气氛控制难，成品一致性低，能量密度低，成本因素使得磷酸铁锂在动力电池上的应用有待进一步提高。因此，研发具有低成本，高安全性，寿命长的正极材料，对动力电池以及未来电动汽车行业的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高锰多晶正极材料及其制备方法、动力锂离子电池，要解决的技术问题是提高电池的能量密度和高温循环性能。 本专利技术采用以下技术方案一种高锰多晶正极材料，所述高锰多晶正极材料的通式为LiwMnx(CoNi)yOz，其中x＝0.4～2.0，y＝0.1～0.6，x+y＜2，z≥2，W≥1，Mn重量≥40％LiwMnx(CoNi)yOz重量，粒度为7～20微米之间，所述高锰多晶正极材料具有LiMn2O4、LiCon(NiMn)1-nO2、LiNi0.8Co0.2O2、LiCoO2、LiNinMn1-nO2、LiMn2nNi2(1-n)O4和LiNiO2两种以上晶格结构，晶相呈混合和共生态，其中n＜1。 本专利技术的Mn含量占Co+Ni+Mn元素摩尔总量的60～90％。 本专利技术的晶格中搀杂有元素Al、Si、Ti、Fe、Zr、Mg和Cr中的一种以上，搀杂量为0.01～0.1mol/mol LiwMnx(CoNi)yOz。 一种高锰多晶正极材料的制备方法，包括以下步骤一、前驱体制备将锂元素含量0.3～1.2mol的Li2CO3、LiAc或LiOH，分散于质量浓度为2～5％的聚乙二醇水性胶体200～300ml中，转速10～60rin/min，时间50～120min制成胶状体，将钴、镍、锰化合物按元素Mn与Ni+Co摩尔比0.4～2.0∶0.01～0.6，加入到胶状体中转速50～60rin/min，时间10～30min，在150～600℃条件下干燥2～15小时后，转速1500～3000rin/min，时间2～30min，得到锂与钴、镍、锰的晶相前驱体；二、单晶烧成将晶相前驱体在750～1000℃条件下烧结4～15小时，降温，粉碎至粒度D50＝7～20微米，制得单晶化合物LiMn2O4、LiCon(NiMn)1-nO2、LiNi0.8Co0.2O2、LiCoO2、LiNinMn1-nO2、LiMn2nNi2(1-n)O4或LiNiO2，其中n＜1；三、多晶合成将单晶化合物两种以上，按Mn含量占Co+Ni+Mn的摩尔百分含量60～90％，混合转速100～150rin/min，时间5～20min得到混合物，将0.01～0.1mol的Al、Si、Ti、Fe、Zr、Mg和Cr中的一种以上元素的可溶性盐类化合物溶于浓度为30～60％的乙醇水溶液100～300ml中，加入混合物，转速60～100rin/min，时间30～60min搅拌，在100～200℃条件下干燥2～10小时，再以50～100℃/hr升温速度升温至300～850℃，活化2～10小时，完成晶相混合或共生。 本专利技术的方法晶相共生后粉碎。 本专利技术的方法晶相混合或共生后球磨粉碎转速1500～3000rin/min，时间2～5min。 本专利技术的方法钴、镍、锰化合物为羟基化合物、草酸盐或碳酸盐。 本专利技术的方法将晶相前驱体在750～1000℃条件下烧结4～15小时，自然降温。 一种动力锂离子电池，具有正极，所述正极集流器上涂覆有正极活性物质，所述正极活性物质为LiwMnx(CoNi)yOz，其中x＝0.4～2.0，y＝0.1～0.6，x+y＜2，z≥2，W≥1，晶格中搀杂有元素Al、Si、Ti、Fe、Zr和Cr中的一种以上，搀杂量为0.01～0.1mol/mol LiwMnx(CoNi)yOz，Mn重量≥40％LiwMnx(CoNi)yOz重量，Mn含量占Co+Ni+Mn元素摩尔总量的60～90％，粒度为7～20微米之间，所述高锰多晶正极材料的XRD显示具有LiMn2O4、LiCon(NiMn)1-nO2、LiNi0.8Co0.2O2、LiCoO2、LiNinMn1-nO2、LiMn2nNi2(1-n)O4和LiNiO2两种以上晶格结构，晶相呈混合或共生态，其中n＜1。 本专利技术的电池正极材料可用下述方法制备得到将LiwMnx(CoNi)yOz，占正极材料质量比2.0～3.0％的导电碳黑和质量比2.0～2.5％的粘合剂PVDF混合，再按混合料与N-甲基吡咯烷酮质量比1∶0.9的比例加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀成浆料，涂布在铝箔集流体上，干燥并压制成正极极片。 本专利技术与现有技术相比，采用高锰含量的多晶体结构，正极材料比能量在155Wh/Kg以上，55℃1C充放电500次循环容量保持率≥80％，25℃循环寿命≥1000次，容量保持＞80％，可用于高电压体系，充电电压≥4.3V，材料的加工性能良好，极片不脱落，重量较轻，是相同能量的铅酸电池的1/4到1/5，用该材料做成的动力电池可用于自行车动力系统，电动汽车动力系统，以及风电、核电、太阳能、电网调峰等行业储能系统。 附图说明 图1是本专利技术实施例1的X射线衍射谱图。 图2是本专利技术实施例1的扫描电镜SEM图。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高锰多晶正极材料，其特征在于：所述高锰多晶正极材料的通式为：Ｌｉ↓［ｗ］Ｍｎ↓［ｘ］（ＣｏＮｉ）↓［ｙ］Ｏ↓［ｚ］，其中ｘ＝０．４～２．０，ｙ＝０．１～０．６，ｘ＋ｙ＜２，ｚ≥２，Ｗ≥１，Ｍｎ重量≥４０％Ｌｉ↓［ｗ］Ｍｎ↓［ｘ］（ＣｏＮｉ）↓［ｙ］Ｏ↓［ｚ］重量，粒度为７～２０微米之间，所述高锰多晶正极材料具有ＬｉＭｎ↓［２］Ｏ↓［４］、ＬｉＣｏ↓［ｎ］（ＮｉＭｎ）↓［１－ｎ］Ｏ↓［２］、ＬｉＮｉ↓［０．８］Ｃｏ↓［０．２］Ｏ↓［２］、ＬｉＣｏＯ↓［２］、ＬｉＮｉ↓［ｎ］Ｍｎ↓［１－ｎ］Ｏ↓［２］、ＬｉＭｎ↓［２ｎ］Ｎｉ↓［２（１－ｎ）］Ｏ↓［４］和ＬｉＮｉＯ↓［２］两种以上晶格结构，晶相呈混合和共生态，其中ｎ＜１。

【技术特征摘要】
1.一种高锰多晶正极材料，其特征在于所述高锰多晶正极材料的通式为LiwMnx(CoNi)yOz，其中x＝0.4～2.0，y＝0.1～0.6，x+y＜2，z≥2，W≥1，Mn重量≥40％LiwMnx(CoNi)yOz重量，粒度为7～20微米之间，所述高锰多晶正极材料具有LiMn2O4、LiCon(NiMn)1-nO2、LiNi0.8Co0.2O2、LiCoO2、LiNinMn1-nO2、LiMn2nNi2(1-n)O4和LiNiO2两种以上晶格结构，晶相呈混合和共生态，其中n＜1。2.根据权利要求1所述的高锰多晶正极材料，其特征在于所述Mn含量占Co+Ni+Mn元素摩尔总量的60～90％。3.根据权利要求2所述的高锰多晶正极材料，其特征在于所述晶格中搀杂有元素Al、Si、Ti、Fe、Zr、Mg和Cr中的一种以上，搀杂量为0.01～0.1mol/molLiwMnx(CoNi)yOz。4.一种高锰多晶正极材料的制备方法，包括以下步骤一、前驱体制备将锂元素含量0.3～1.2mol的Li2CO3、LiAc或LiOH，分散于质量浓度为2～5％的聚乙二醇水性胶体200～300ml中，转速10～60rin/min，时间50～120min制成胶状体，将钴、镍、锰化合物按元素Mn与Ni+Co摩尔比0.4～2.0∶0.01～0.6，加入到胶状体中转速50～60rin/min，时间10～30min，在150～600℃条件下干燥2～15小时后，转速1500～3000rin/min，时间2～30min，得到锂与钴、镍、锰的晶相前驱体；二、单晶烧成将晶相前驱体在750～1000℃条件下烧结4～15小时，降温，粉碎至粒度D50＝7～20微米，制得单晶化合物LiMn2O4、LiCon(NiMn)1-nO2、LiNi0.8Co0.2O2、LiCoO2、LiNinMn1-nO2、LiMn2nNi2(1-n)O4或LiNiO2，其中n＜1；三、多晶合成将单晶化合物两种以上，按Mn含量占Co+Ni+Mn的摩尔百分含量60～90％，混合转速100～150rin/min，时间5～20min得到混合物，将0.01～0.1mol的Al、Si、Ti、Fe、Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：向黔新，赵孝连，
申请(专利权)人：深圳市振华新材料股份有限公司，贵州振华新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]