一种T2/O2/O3构型锂离子电池正极材料及其快速制备方法和应用

本发明属于锂离子电池正极材料，具体涉及一种t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料及其快速制备方法和应用。

背景技术：

1、大功率、高能量密度锂离子电池由于其在电动汽车、便携式电子设备和电网等方面的广泛应用成为研究热点。锂离子电池的成本主要由正极材料决定，因此，开发具有高性能的正极材料成为突破的关键点。到目前为止，市场上主流的正极材料包括：lifepo4、licoo2、limn2o4和三元材料等。lifepo4电池的能量密度低且低温性能差，不适宜工业化生产。licoo2中的钴资源稀缺，导致了licoo2电池的生产成本较高，且其热稳定性差，在高温下容易发生热失控。尽管limn2o4具有相对较低的成本，但其能量密度较低且循环寿命短。而锂镍钴锰氧化物li(ni,co,mn)o2能量密度较高、安全性能好，有望实现高性能、长循环而受到人们的重视和研究。

2、t2/o2/o3构型的正极材料在锂离子电池和钠离子电池领域都有广泛的应用和研究。其中，t2构型正极材料是一种相对较为新颖的结构，其具体特性和应用还在不断深入研究中，具有t2构型锂镍钴锰氧化物正极材料具有两维锂离子传输路径，这种结构有助于锂离子在电极材料中的快速移动，从而提高电池的充放电效率，并且t2构型材料能够在高电压下工作，这意味着电池可以存储更多的能量。o2构型正极材料通常指的是具有特定氧堆叠排列方式(如abab堆叠)的层状氧化物正极材料，o2构型中的氧原子以abac的堆叠方式排列，因锂层中的li-o八面体与过渡金属层的tm-o八面体为面与面的接触，从而避免了过渡金属离子的迁移，可有效抑制不可逆相变和电压衰减。o3构型正极材料是层状氧化物正极材料中最常见的一种结构，其氧原子以立方密堆积方式排列(即abcabc堆叠)，o3构型正极材料具有较高的容量，适用于电动车、大规模储能等领域。以上这三种t2/o2/o3构型的正极材料的制备方法主要为熔盐离子交换法，即通过简单的固相研磨，使li+/na+交换得到t2/o2/o3材料，但是这种方法存在着一个不可避免的问题——反应速度慢(常规离子交换法的时间约为4h-8h)，且不均匀(离子交换过程中反应不完全、不易获得纯相)，尤其是在放大实验中便会体现的格外明显。因此，探索一种新的简单快速、让反应均匀且完全的方法是锂离子电池领域的一项重要课题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料及其快速制备方法和应用，以解决现有的方法反应速度慢、反应不均匀，无法大规模放大生产的技术难题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料的快速制备方法，发明点在于采用高温煅烧法结合阵列微波辅助熔盐离子交换能够快速制备高容量、结构稳定的目标产物，具体包括：首先采用高温煅烧法合成含钠的层状氧化物namnixcoymn1-x-yo2，然后将其与1～10倍摩尔量的含锂复合熔盐混合，通过阵列微波加热进行离子交换处理，再经洗涤、干燥，制得t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料；

4、其中，0.70≤m≤1.00，0.00≤x≤1.00；0.00≤y≤1.00。

5、本发明公开的一种t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

6、1)称量

7、按照namnixcoymn1-x-yo2的摩尔比，称取前驱体颗粒与钠源，然后充分混合均匀，得到混合物；其中，0.70≤m≤1.00，0.00≤x≤1.00；0.00≤y≤1.00；

8、2)高温煅烧

9、将步骤1)制得的混合物先于400～600℃预烧2～5h，再于700～900℃下煅烧5～30h，然后自然冷却至室温，制得含钠中间产物；

10、3)阵列微波辅助熔盐离子交换

11、将含钠中间产物与1～10倍摩尔量的含锂复合熔盐混合均匀，于200～300℃下阵列微波加热处理5～60min，然后将产物过滤、洗涤、干燥，制得t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料。

12、优选地，步骤1)中，前驱体颗粒包括镍源、钴源和锰源；

13、所述镍源选自ni(no3)2·6h2o、ni(ch3coo)2·4h2o、nio、ni(oh)2、nico3和nic2o4中的任一种；

14、所述钴源选自co(no3)2·6h2o、co(ch3coo)2·4h2o、co3o4、co(oh)2、coco3和coc2o4中的任一种；

15、所述锰源选自mn(no3)2·4h2o、mn(ch3coo)2·4h2o、mn3o4、mno2、mn(oh)2、mnco3和mnc2o4中的任一种。

16、优选地，步骤1)中，钠盐选自na2co3、naoh、nano3或ch3coona中的任一种。

17、优选地，步骤2)中，自室温起，以3～10℃/min的升温速率升温至400～600℃，预烧2～5h，然后再在700～900℃下煅烧5～30h。

18、优选地，步骤3)中，所述含锂复合熔盐为lino3与其他熔盐混合而成，其他熔盐选自licl、kcl、nacl、kno3和nano3中的任一种。

19、优选地，步骤3)中，自室温起，以10～30℃/min的升温速率升温至200～300℃，反应时间5～60min。

20、本发明还公开了采用上述的制备方法制得的t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料，其特征在于，所述t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料由微米级颗粒组成。

21、优选地，该t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料在2.0～4.8v，0.1c条件下，材料经50次循环后容量仍保持率高达97％以上。

22、本发明还公开了上述的t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料在制备锂离子电池中的应用。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明公开的快速制备方法，采用li+/na+离子交换法，首先通过高温煅烧法合成出含钠的层状氧化物namnixcoymn1-x-yo2，再将其与熔盐充分混合，通过快速阵列微波加热进行离子交换，经过滤、洗涤、干燥后即可得到t2/o2/o3构型limnixcoymn1-x-yo2层状氧化物。由于阵列微波具有更高的加热功率，加热速度快且均匀，使得该方法制备出的t2/o2/o3相层状结构正极材料具有优异的循环稳定性。这一方法为锂镍钴锰层状正极材料的制备提供了一种有效且可行的途径，有望在锂离子电池领域发挥重要作用；该制备方法一致性好，反应速度极快，工艺简单，反应均匀、充分，且本发明方法制备t2/o2/o3构型锂镍钴锰正极材料工艺所制得的产品收率高达90％，操作简单，有利于放大工业化生产。

25、采用本发明所述方法制备的t2/o2/o3构型锂离子电池正极材料，是一类锂镍钴锰正极材料li(ni,co,mn)o2，其循环性能优异，在2.0～4.8v，0.1c条件下，材料经50次循环后容量保持率仍高达97％以上。