專利名稱：鋰離子電池正極材料LiMn的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池正極材料LiMn2O4的合成方法，屬于鋰離子電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，鋰離子電池的性能指標(biāo)仍在不斷提高，新的應(yīng)用對電池提出了更高的要求。材料的進(jìn)步是電池性能和價格比提高的基礎(chǔ)，相關(guān)材料的研究進(jìn)展已為鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的空間。目前，鋰離子電池負(fù)極材料的性能水平已相當(dāng)高，目前高性能的負(fù)極材料比容量可高達(dá)到350mAh/g，甚至更高。而正極材料的電容量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這一水平，因此，只有進(jìn)一步提高正極材料的電容量，使其和負(fù)極材料相互匹配，才能最終使電池整體的容量得到真正的提高。
目前鈷、鎳、錳的氧化物L(fēng)iCoO2、LiNiO2和LiMn2O4三大系列材料是鋰離子電池正極材料的主要產(chǎn)品。但由于在原材料價格、合成方法及使用條件等方面存在著很多的問題，LiCoO2和LiNiO2正極材料的應(yīng)用受到了很大的限制。
最近幾年來，LiMn2O4系列材料受到了世界各國研究人員的廣泛關(guān)注和青睞，原因在于其資源豐富、合成成本低、工作電壓高(3.8V)、無環(huán)境污染、且用其做成的動力鋰離子電池耐過充電、安全性好。但是，到目前為止作為鋰離子動力電池正極材料LiMn2O4的合成還存在著很多問題。目前，很多研究人員使用溶膠-凝膠法、Pechini法、共沉淀法以及熔滲法和Combustion法來進(jìn)行改性處理，雖然取得了一定的效果，但由于工藝復(fù)雜，因此成本很高且很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前更多的人則通過陰陽離子摻雜對LiMn2O4進(jìn)行改性。但這樣做的結(jié)果是，同時也降低了LiMn2O4正極材料的比容量。因此，總體效果并不是很好。
傳統(tǒng)的高溫固相法合成LiMn2O4雖工藝簡單，成本低，但合成過程中存在著很多問題。特別是產(chǎn)業(yè)化合成LiMn2O4正極材料，普通的固相高溫反應(yīng)方法必將引起反應(yīng)過程中的溫度不均導(dǎo)致反應(yīng)不均勻，這就使合成的時間長和溫度高。為了克服這些不利因素，就必須增加工序，但這樣的結(jié)果必然導(dǎo)致成本更高，且更重要的是降低了LiMn2O4為正極材料的物理和電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)高溫固相法的不足，提供一種能簡化工序、降低成本，同時能大幅度提高鋰離子電池電化學(xué)性能的鋰離子電池正極材料LiMn2O4的合成方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將混合均勻的反應(yīng)原材料裝入反應(yīng)旋轉(zhuǎn)爐中在500℃～800℃的溫度下保溫5h～30h，然后冷卻至室溫。裝料爐體在材料反應(yīng)過程中根據(jù)需要以0＜n＜60轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)或者變速旋轉(zhuǎn)，反應(yīng)完成后，用電機(jī)傾爐倒料，而后進(jìn)行篩分得到所需要的粒度分布。
通過采用旋轉(zhuǎn)加熱法，使合成材料受熱更加均勻，從而使反應(yīng)更加均勻，反應(yīng)一次完成；這不僅使合成的時間和溫度大幅度減少，進(jìn)而有效降低成本，同時更重要的是大幅度地提高了LiMn2O4為正極材料的物理和電化學(xué)性能，使采用以LiMn2O4為正極材料的鋰離子電池的電化學(xué)性有了大幅度的提高。
具體實(shí)施例方式
下面進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例和與傳統(tǒng)方法對比后的效果。
將篩分好的碳酸鋰和MnO2及微量添加劑在混料機(jī)上進(jìn)行混料。經(jīng)5小時混料后，觀察混料均勻后取出并直接加入反應(yīng)旋轉(zhuǎn)爐中。隨爐升溫至700℃溫度下保溫反應(yīng)10h。裝料爐體在材料反應(yīng)過程中先以20轉(zhuǎn)/分再以40轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，反應(yīng)完成后，用電機(jī)傾爐倒料。而后進(jìn)行篩分得到所需要的粒度分布。合成的材料經(jīng)X-ray衍射分析可知，在700℃溫度下保溫反應(yīng)10h后，材料完全為單一的典型的LiMn2O4晶體結(jié)構(gòu)。晶型結(jié)構(gòu)完整，無其他相存在。掃描電鏡觀察為均一的顆粒狀形貌。
而將與上述同樣成分的篩分好的碳酸鋰和MnO2及微量添加劑在混料機(jī)上進(jìn)行混料。經(jīng)5小時混料后，采用傳統(tǒng)隧道窯固相法合成LiMn2O4正極材料經(jīng)X-ray衍射分析可知，在800℃～950℃溫度下保溫反應(yīng)10h～35h后，材料并不是完全為單一的典型的LiMn2O4晶體結(jié)構(gòu)。還有一些其他相存在。為消除這些雜相，只有進(jìn)行對以上工藝的多次重復(fù)，但不能保證完全消除。主要是因?yàn)榉磻?yīng)方式的不合理引起反應(yīng)溫度的不均導(dǎo)致反應(yīng)極不均勻，晶型不能充分長大。這就使合成的時間長和溫度高，為了克服這些不利因素，就必須增加工序。
將采用旋轉(zhuǎn)法制備的LiMn2O4作為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，在充氬氣的手套箱中組裝電池。其中正極由89wt.％LiMn2O4活性材料，5.5wt.％的乙炔黑和5.5wt.％PVDF混合物壓在鋁箔上組成，負(fù)極采用90wt.％碳微球和10wt.％PVDF混合物壓在銅箔上，加入隔膜和電解液。電池在通過電池檢測設(shè)備進(jìn)行容量及循環(huán)壽命的檢測可知，材料的初比容量為126mah/g，庫侖效率達(dá)95％。循環(huán)壽命在室溫下1C充電，0.5C放電下，循環(huán)350次，容量仍在80％以上。而用傳統(tǒng)的固相法合成的LiMn2O4材料其性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以上的指標(biāo)。將傳統(tǒng)固相法合成的LiMn2O4材料采用同樣的方法和配方組成電池進(jìn)行檢測可知，相同條件下材料的初比容量為108mah/g，庫侖效率只有80％。循環(huán)壽命在室溫下1C充電，0.5C放電下，循環(huán)200次，容量在60％以下。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池正極材料LiMn2O4的合成方法，將混合均勻的碳酸鋰、MnO2及微量添加劑放入爐中進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，其特征是反應(yīng)在旋轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行，爐體轉(zhuǎn)速為0＜n＜60轉(zhuǎn)/分，并不斷攪拌。
2.按權(quán)利要求1所述的鋰離子電池正極材料LiMn2O4的合成方法，其特征是旋轉(zhuǎn)爐在0＜n＜60轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)變速旋轉(zhuǎn)。
3.按權(quán)利要求1所述的鋰離子電池正極材料LiMn2O4的合成方法，其特征是反應(yīng)溫度為500℃～800℃。
全文摘要
一種鋰離子電池正極材料LiMn
文檔編號C01G1/02GK1783549SQ20041006535
公開日2006年6月7日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者潘險峰, 邵雙喜, 陳懷林, 楊善基 申請人:江蘇雙登電源有限公司