本發(fā)明涉及一種制備特殊空心微球錳酸鋰正極材料提高電化學(xué)性能的方法。
背景技術(shù):
近年來,人們?nèi)找嬷匾曅履茉葱虏牧系拈_發(fā)和應(yīng)用,以此來帶動各種便攜式電子產(chǎn)品行業(yè)及電動汽車行業(yè)等的發(fā)展。由于鋰離子二次電池有著比能量高、安全性好、循環(huán)壽命長及綠色無污染等優(yōu)點,受到廣大研究者的關(guān)注。而鋰離子電池正極材料的研究和發(fā)展是制約鋰離子動力電池發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在眾多正極材料中,由于錳酸鋰正極材料電池具有工作電壓高、循環(huán)性能好、使用壽命長、成本低、安全環(huán)保等突出優(yōu)點,特別是安全環(huán)保,使尖晶石型錳酸鋰具有廣闊的市場空間。
然而,尖晶石型錳酸鋰存在著因Jahn-Teller效應(yīng)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)畸變,導(dǎo)致其在充放電或儲存過程中容量衰減嚴(yán)重,高溫性能也不佳。研究發(fā)現(xiàn),通過制備具有特殊形貌的錳酸鋰,可以在一定程度上縮短鋰離子的擴(kuò)散距離,減小極化,緩解在鋰離子脫嵌過程中產(chǎn)生的體積變化,從而提高材料的電化學(xué)性能。因此,制備如納米線、納米管、納米微球、多孔結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、多殼結(jié)構(gòu)等得到了廣泛研究。研究結(jié)果表明,具有特殊相貌的錳酸鋰能有效提高鋰離子的擴(kuò)散系數(shù),并且穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而改善電化學(xué)性能。本發(fā)明通過制備由具有八面體晶形的顆粒組成的空心微球,在空心結(jié)構(gòu)緩解體積變化,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,組成空心結(jié)構(gòu)的八面體顆粒進(jìn)一步加快了鋰離子的脫嵌反應(yīng),提高其動力學(xué)特性,以此來改善電化學(xué)性能。
本發(fā)明采用高溫固相法制備錳酸鋰空心微球正極材料,對錳酸鋰的電化學(xué)性能的改進(jìn)進(jìn)行了研究。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的是在空心微球縮短鋰離子擴(kuò)散距離,緩解鋰離子脫嵌過程中體積變化的基礎(chǔ)上,而構(gòu)成空心微球的具有良好晶形的八面體顆粒進(jìn)一步加快鋰離子的脫嵌反應(yīng),以此制備出電化學(xué)性能優(yōu)良的錳酸鋰空心微球正極材料。
具體步驟為:
(1)將0.002-0.1mol一水硫酸錳溶于100mL-500mL去離子水中,再滴加10mL-40mL無水乙醇。
(2) 將0.02-1mol碳酸氫銨溶于100mL-500mL去離子水中。
(3)將步驟(2)所得溶液分3次緩慢滴加到步驟(1)所得溶液中,得到乳白色懸浮液,用DF-101S型集熱式磁力攪拌器在20℃-40℃下攪拌0.5-1.5小時,陳化1-5小時,得到淡粉色沉淀,將淡粉色沉淀抽濾,洗滌,送入30℃~60℃真空干燥箱干燥8-12小時得到淡粉色碳酸錳粉末。
(4)將步驟(3)所得到的淡粉色碳酸錳粉末置于馬弗爐中200℃-500℃預(yù)燒結(jié)1-5小時,預(yù)燒結(jié)后用濃度為0.1 mol/L的鹽酸洗1-3天,抽濾,洗滌,送入60℃~120℃真空干燥8-12小時得到黑色粉末二氧化錳。
(5)按摩爾比鋰源: 步驟(4)所得二氧化錳=1:2稱取鋰源和步驟(4)所得二氧化錳于小燒杯中,水浴加熱攪拌使其充分混合均勻,干燥,置于馬弗爐中650℃-850℃燒結(jié)10-24小時,后隨爐自然冷卻至室溫,即獲得由八面體顆粒組成的空心錳酸鋰正極材料。
所述鋰源為乙酸鋰、碳酸鋰和氫氧化鋰中的一種或多種。
本發(fā)明利用工藝成熟的高溫固相法,通過控制攪拌時間和陳化時間制備前驅(qū)體錳源,再通過控制預(yù)處理溫度和時間,最后制備出結(jié)晶良好、顆粒尺寸均勻的錳酸鋰空心微球正極材料。室溫下,電壓為3.0~4.4V,0.5C倍率時,放電比容量可達(dá)113mAh/g。100次循環(huán)后放電比容量保持率為83.2%,可以看出具有優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。在10C倍率時,放電比容量依然有86.3mAh/g。與其它金屬陽離子摻雜路線相比,本發(fā)明可以明顯地提高材料的電化學(xué)性能。該方法制備的正極材料在動力電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本制備方法安全性好、成本低廉、對環(huán)境友好、電化學(xué)性能優(yōu)良,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
附圖說明
圖1是實施例1得到的普通錳酸鋰與錳酸鋰空心微球正極材料的XRD譜圖。
圖2是實施例1得到的普通錳酸鋰正極材料的SEM效果圖。
圖3是實施例1得到的錳酸鋰空心微球正極材料的SEM效果圖。
圖4是實施例1得到的普通錳酸鋰與錳酸鋰空心微球正極材料的首次充放電曲線圖。
圖5是實施例1得到的普通錳酸鋰與錳酸鋰空心微球正極材料循環(huán)性能圖。
圖6是實施例1得到的普通錳酸鋰與錳酸鋰空心微球正極材料倍率性能圖。
圖7是實施例1得到的普通錳酸鋰與錳酸鋰空心微球正極材料EIS圖。
圖中:實施例1得到的特殊空心微球錳酸鋰正極材料標(biāo)記為S-2;普通的錳酸鋰正極材料標(biāo)記為:S-1。
具體實施方式
實施例1:
(1)將0.0357mol一水硫酸錳溶于250mL去離子水中,再滴加25mL無水乙醇。
(2)將0.357mol碳酸氫銨溶于250mL去離子水中。
(3)將步驟(2)所得溶液分3次緩慢滴加到步驟(1)所得溶液中,得到乳白色懸浮液,用DF-101S型集熱式磁力攪拌器在35℃下攪拌1小時,陳化3小時,得到淡粉色沉淀,將淡粉色沉淀抽濾,洗滌,送入40℃真空干燥箱干燥8小時得到淡粉色碳酸錳粉末。
(4)將步驟(3)所得到的淡粉色碳酸錳粉末置于馬弗爐中300℃預(yù)燒結(jié)2小時,預(yù)燒結(jié)后用濃度為0.1 mol/L的鹽酸洗2天,抽濾,洗滌,送入100℃真空干燥12小時得到黑色粉末二氧化錳。
(5)稱取0.00345mol氫氧化鋰和0.00690mol步驟(4)所得二氧化錳于小燒杯中,水浴加熱攪拌使其充分混合均勻,干燥,置于馬弗爐中750℃燒結(jié)18小時,后隨爐自然冷卻至室溫,即獲得由八面體顆粒組成的空心錳酸鋰正極材料。
把合成的錳酸鋰空心微球正極材料制作成電極片,后組裝成模擬電池。
具體操作如下:將活性物質(zhì)材料:乙炔黑(C):PVDF=80:10:10(質(zhì)量比)按比例稱量,充分?jǐn)嚢枘雺?,加入適量NMP,調(diào)成混合均勻的漿,用涂敷器在鋁箔上搟成厚度均勻的薄片,于80℃真空干燥箱12小時后,將其沖成直徑15mm的圓形極片。以金屬鋰片為負(fù)極,以Celgard2300微孔聚丙烯膜為隔膜,以1M LiPF6/EC+DMC+EMC(l:l:l體積比)為電解液,在相對濕度低于5%、氧壓低于10ppm的充滿氬氣的手套箱中組裝成CR2025型扣式電池,然后靜置10小時后,即可進(jìn)行充放電測試。充電電壓3.0~4.4V,充放電倍率為0.5C,其首次放電比容量達(dá)到113mAh/g。循環(huán)100次后,放電容量為94mAh/g,容量保持率為83.2%。
實施例2:
(1)將0.0357mol一水硫酸錳溶于250mL去離子水中,再滴加25mL無水乙醇。
(2)將0.357mol碳酸氫銨溶于250mL去離子水中。
(3)將步驟(2)所得溶液分3次緩慢滴加到步驟(1)所得溶液中,得到乳白色懸浮液,用DF-101S型集熱式磁力攪拌器在35℃下攪拌1小時,陳化3小時,得到淡粉色沉淀,將淡粉色沉淀抽濾,洗滌,送入40℃真空干燥箱干燥8小時得到淡粉色碳酸錳粉末。
(4)對步驟(3)所得到的淡粉色碳酸錳粉末置于馬弗爐中300℃預(yù)燒結(jié)3小時,預(yù)燒結(jié)后用濃度為0.1 mol/L的鹽酸洗2天,抽濾,洗滌,送入100℃真空干燥12小時得到黑色粉末二氧化錳。
(5)稱取0.00316mol氫氧化鋰和0.00632mol步驟(4)所得二氧化錳于小燒杯中,水浴加熱攪拌使其充分混合均勻,干燥,置于馬弗爐中750℃燒結(jié)18小時,后隨爐自然冷卻至室溫,即獲得由八面體顆粒組成的空心錳酸鋰正極材料。
把合成的錳酸鋰空心微球正極材料制作成電極片,后組裝成模擬電池。
具體操作如下:將活性物質(zhì)材料:乙炔黑(C):PVDF=80:10:10(質(zhì)量比)按比例稱量,充分?jǐn)嚢枘雺海尤脒m量NMP,調(diào)成混合均勻的漿,用涂敷器在鋁箔上搟成厚度均勻的薄片,于80℃真空干燥箱12小時后,將其沖成直徑15mm的圓形極片。以金屬鋰片為負(fù)極,以Celgard2300微孔聚丙烯膜為隔膜,以1M LiPF6/EC+DMC+EMC(l:l:l體積比)為電解液,在相對濕度低于5%、氧壓低于10ppm的充滿氬氣的手套箱中組裝成CR2025型扣式電池,然后靜置10小時后,即可進(jìn)行充放電測試。充電電壓3.0~4.4V,充放電倍率為0.5C,其首次放電比容量達(dá)到115.9mAh/g。循環(huán)100次后,放電容量為88.8mAh/g,容量保持率為76.6%。