本發(fā)明屬于鋰離子電池功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳包覆高電位鎳錳酸鋰正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，各國政府從提高未來國家汽車產(chǎn)業(yè)競爭力，保持經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，積極推動以電動汽車為主的新能源汽車的發(fā)展。其中，動力電池系統(tǒng)是電動汽車的重要關(guān)鍵組成部分，直接影響著電動汽車的起動、加速、行駛里程和安全等多項(xiàng)性能。以LiCoO₂作為正極材料、石墨作為負(fù)極材料為代表的鋰離子電池，與傳統(tǒng)鉛酸、鎳鎘、鎳氫等二次電池相比，其具有工作電壓高、能量密度大、安全無污染、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，不但在小型便攜設(shè)備上的應(yīng)用取得了巨大的成功，而且也成為新一代動力電池體系中最強(qiáng)有力的競爭對手。

鋰離子電池的正極材料作為鋰離子電池的核心，歷來是人們研發(fā)的重點(diǎn)，提高正極材料的性能是提高鋰離子電池性能的關(guān)鍵。表現(xiàn)為兩方面：一是正極材料的比容量直接影響電池的比能量；另一是直接決定電池成本的最重要因素。在眾多類型正極材料中，相比于目前已商品化的4V級正極材料LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄和LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂，尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料具有三維離子擴(kuò)散通道、優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、豐富的資源、廉價的成本以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。同時其固有的4.7V高電位放電平臺，可以提供更高的工作電壓以及能量和功率密度，是最有希望在鋰電行業(yè)取得革命性突破的鋰離子正極材料，產(chǎn)品具有廣闊的市場前景。

然而盡管制備尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正極材料的實(shí)驗(yàn)室方法有多種，主要包括固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、燃燒法、超聲噴霧干燥法、聚合物輔助法等。但是，目前市場上還沒有實(shí)質(zhì)意義上的正式生產(chǎn)。這一方面是由于目前所用方法各有自己的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室級別的產(chǎn)品性能各異，另一方面是源于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)方法的制備工藝復(fù)雜，其規(guī)模化制備生產(chǎn)中所用設(shè)備不達(dá)標(biāo)，難以實(shí)現(xiàn)各原料成分的均勻混合，致使規(guī)?；a(chǎn)出來的產(chǎn)品性能遠(yuǎn)不及實(shí)驗(yàn)室水平，比容量不高，材料的充放電曲線電壓平臺單一性不好，有雜相存在，在較高溫度的環(huán)境下，循環(huán)性變差，大倍率放電能力，延容量衰減嚴(yán)重，而且由于材料工作電壓高，導(dǎo)致電解液易分解，引起材料表面變質(zhì)從而導(dǎo)致容量衰減。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的為提供一種碳包覆高電位鎳錳酸鋰正極材料及其制備方法，以解決規(guī)模化生產(chǎn)中由于制備工藝復(fù)雜、導(dǎo)致產(chǎn)品循環(huán)性能差，大倍率放電能力較低和容量衰減較為嚴(yán)重等問題。本發(fā)明中按照一定的陽離子摩爾比將鎳鹽、錳鹽、鋰鹽和檸檬酸配成混合溶液，在帶有超聲裝置的超聲噴霧干燥機(jī)中進(jìn)行超聲霧化，霧化氣溶膠引入到干燥器與熱空氣接觸使水分迅速汽化蒸發(fā)、干燥，得到顆粒尺寸均一的球狀前驅(qū)體。然后將所得前驅(qū)體引入到管式高溫反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)裂解，得到顆粒尺寸均一的鎳錳酸鋰微晶體粉末。然后將所得粉末加入到蔗糖水溶液中，攪拌配成均勻懸濁液，在不停地?cái)嚢柘峦ㄟ^噴霧干燥器進(jìn)行噴霧干燥，得到干燥的前驅(qū)體粉末。然后將所得前驅(qū)體粉末引入到管式高溫反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)裂解，得到顆粒尺寸均一的碳包覆的高電位鎳錳酸鋰正極材料。

本發(fā)明所得正極材料比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能優(yōu)良，所提供的方法工藝簡單，成本低、適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1.實(shí)施例1碳包覆高電位鎳錳酸鋰正極材料的制備流程圖。

圖2.實(shí)施例1碳包覆高電位鎳錳酸鋰正極材料的SEM圖。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例中未注明的原料均從商業(yè)途徑獲得，純度為分析純，使用前未經(jīng)進(jìn)一步處理。

實(shí)施例1

(1)按照Li⁺∶Ni²⁺∶Mn²⁺的物質(zhì)的量比為1.1∶0.5∶1.5，分別準(zhǔn)確稱量硝酸鋰、硝酸鎳和硝酸錳，將它們加入到去離子水中，配成0.8mol/L的水溶液，并攪拌均勻。

(2)將檸檬酸加入去離子水配成溶液，并攪拌均勻。

(3)將(1)的混合溶液加入到(2)的檸檬酸溶液中。所得新混合溶液中檸檬酸的物質(zhì)的量與錳元素的物質(zhì)的量的比為1∶1。

(4)將步驟(3)中的新混合溶液放入事先預(yù)熱好的超聲噴霧干燥裝置中進(jìn)行超聲噴霧、干燥、裂解。噴嘴處溫度210℃，旋風(fēng)指標(biāo)100％，噴霧速度25％，進(jìn)氣量40。霧化氣溶膠被流速為10L/min的空氣載氣引入到已經(jīng)加熱到550℃的反應(yīng)器中，出口溫度110℃。收集的粉末在930℃下焙燒10h，然后在710℃下再退火12h。

(5)將步驟(4)中所得粉末加入到重量百分含量為0.2％的蔗糖水溶液中，并攪拌配成均勻懸濁液。將上述懸濁液在不停地?cái)嚢柘峦ㄟ^噴霧干燥器進(jìn)行噴霧干燥，得到干燥的前驅(qū)體粉末。進(jìn)口溫度為150℃，旋風(fēng)指標(biāo)100％，進(jìn)料速度為10ml/min^-1。干燥的前驅(qū)體黑色粉末被流速為10L/min的空氣載氣引入到已經(jīng) 加熱到350℃的反應(yīng)器中，出口溫度120℃。收集得到碳包覆的高電位鎳錳酸鋰正極材料。

實(shí)施例2

(1)按照Li⁺∶Ni²⁺∶Mn²⁺的物質(zhì)的量比為1.1∶0.5∶1.5，分別準(zhǔn)確稱量硝酸鋰、硝酸鎳和硝酸錳，將它們加入到去離子水中，配成1.2mol/L的水溶液，并攪拌均勻。

(2)將檸檬酸加入去離子水配成溶液，并攪拌均勻。

(3)將(1)的混合溶液加入到(2)的檸檬酸溶液中。所得新混合溶液中檸檬酸的物質(zhì)的量與錳元素的物質(zhì)的量的比為1∶2。

(4)將步驟(3)中的新混合溶液放入事先預(yù)熱好的超聲噴霧干燥裝置中進(jìn)行超聲噴霧、干燥、裂解。噴嘴處溫度210℃，旋風(fēng)指標(biāo)100％，噴霧速度25％，進(jìn)氣量40。霧化氣溶膠被流速為15L/min的空氣載氣引入到已經(jīng)加熱到500℃的反應(yīng)器中，出口溫度110℃。收集的粉末在900℃下焙燒10h，然后在700℃下再退火12h。

(5)將步驟(4)中所得粉末加入到重量百分含量為3％的蔗糖水溶液中，并攪拌配成均勻懸濁液。將上述懸濁液在不停地?cái)嚢柘峦ㄟ^噴霧干燥器進(jìn)行噴霧干燥，得到干燥的前驅(qū)體粉末。進(jìn)口溫度為150℃，旋風(fēng)指標(biāo)100％，進(jìn)料速度為10ml/min^-1。干燥的前驅(qū)體黑色粉末被流速為10L/min的空氣載氣引入到已經(jīng)加熱到350℃的反應(yīng)器中，出口溫度120℃。收集得到碳包覆的高電位鎳錳酸鋰正極材料。