低共熔混合锂盐合成高密度锂离子电池正极材料的研究

本项目旨在利用体系的最低熔点，使得混合锂盐在较低的温度下熔化并与过渡金属氧化物自混合均匀，从而避免现有工艺所采用的长时间机械球磨，有机物的使用以及过量熔盐所造成的复杂处理工序。整个反应在较宽的温度范围内处于液固状态，离子扩散速度显著加快，可以有效降低反应温度和时间，合成出符合化学计量比以及结晶发育良好的嵌锂正极材料，同时也可以有效地解决阴离子掺杂在高温条件下容易分解的难题。本项目针对不同种类嵌锂过渡金属氧化物找出适宜的低共熔混合锂盐体系，研究合成条件对产物晶体结构、形貌及性能的影响规律，揭示在低共熔多元混合锂盐体系中合成不同晶体结构锂离子电池正极材料的反应机理以及合成条件对晶体生长取向和高度定向排列的影响规律，找出产物晶格生长取向与振实密度和电化学性能之间的对应关系，建立对应的结构模型，为合成结晶程度高、结构热稳定性好、振实密度高和电性能优良的锂离子电池正极材料提供实验数据和理论依据。

本项目主要研究用低共熔混合锂盐合成高密度锂离子电池正极材料，探求其反应机理以及合成条件等因素对产物晶体结构、振实密度、形貌和电性能的影响规律，为合成性能优良的锂离子电池正极材料提供实验数据和理论依据。项目主要研究内容和发现：.（1）由LiOH-LiNiO3和LiOH-Li2CO3组成的低共熔混合锂盐可以有效地解决锂离子电池正极材料固相反应物混合不均匀的难题，合成的六方层状结构材料具有阳离子混排程度小，振实密度高和电化学性能优良的特点。研究结果表明：低共混合锂盐合成Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2的过程是由锂盐融化、渗透、反应、晶型转化以及晶化等步骤组成，而且最终产物的颗粒形貌由过渡金属氢氧化物颗粒形貌所决定。河南科隆新能源有限公司采用低共熔锂化工艺开发的高性能三元系锂离子电池正极材料与现有111、523等产品相比，具有振实密度高，比容量大和循环寿命长的优点。.（2）过渡金属氧化物的结构、振实密度、颗粒形貌和处理方式对合成的锂离子电池正极材料的物理和电化学性能具有重要的影响。研究结果表明：高密度氢氧化镍的形貌、密度、结构和性能的关系研究不仅可以用于提高镍氢电池的性能，而且对合成具有六方层状结构的高密度锂离子电池正极材料的前躯体有着重要的指导作用；水合肼可以有效地去除锰氧化物Na、K、Fe、Ga、Mg等杂质，以此为前躯体合成的尖晶石LixMn2-xO4具有高的结晶度和优异的电化学性能；以球形β-MnOOH为前躯体与具有较低熔点的锂盐混合制备出的球形LiMn2O4颗粒，其振实密度高达2.67 g cm-3，是目前文献报道的最高值。.（3）为进一步降低锂盐熔点以至最终过渡到液相分子和原子级别的混料，我们尝试了一种新的方法，即采用二甲亚砜为沸点提升剂和粒径生长抑制剂，在常压和108°C的条件下，可直接由液相反应得到粒径小且分布均匀的单一相橄榄石结构的磷酸铁锂。这种方法既可以有效地解决反应物料混合均匀问题，同时也避免了水热合成对容器压力的限制，为合成纳米级橄榄石结构的锂过渡金属磷酸盐提供了一条新的思路。. 本项目的完成为合成高性能锂离子电池正极材料提供实验数据和理论依据，具有重要的科学价值和应用价值，同时也为新思路的进一步深入研究奠定了很好的基础。