CN101774563A - 一种锂离子电池用高电压正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池用高电压正极材料及其制备方法,以钒取代磷酸钴锂中的部分钴并进行碳包覆;其组成为Li1+0.5xCo1-xVx(PO4)1+0.5x/C,其中0.01≤x≤0.11,碳含量为1~8wt%。将锂源化合物、钴源化合物、钒源化合物、磷源化合物和碳源物质球磨充分混合,干燥后在300~350℃下预烧,然后在700~850℃下焙烧得到一种黑色粉末状Li1+0.5xCo1-xVx(PO4)1+0.5x/C高电压正极材料。将该高电压正极材料组装成扣式电池进行测试,在0.1C放电倍率条件下,稳定放电平台达4.8V(vs.Li/Li+),其中Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C正极材料首次放电容量达134.8mAh.g-1,25次循环后的可逆容量为114.6 mAh.g-1,容量保持率为85%。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池电极材料及其制备方法,特别是一种锂离子电池用高电压正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长和自放电率小等众多优点,自20世纪90年代问世以来,已被广泛应用于笔记本电脑、移动通信设备、各种便携式电动工具等。为了解决目前日益严重的能源危机和环境污染问题,用于电动车、混合动力汽车的锂离子动力电池已成为各国竞相发展的重点。但目前广泛使用的锂离子电池正极材料(如钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等)的放电平台大多都在4V(vs.Li/Li+)以下,尚不能满足电动汽车等领域对电池高能量密度的需求。采用高电压正极可以有效提高电池输出电压和能量密度,是锂离子电池的重要发展方向;而离子液体等新型电解液的研究开发为高电压正极材料的应用创造了条件。
目前研究最多的高电压正极材料是LiNi0.5Mn1.5O4,但该材料存在的关键问题是不易制得具有单一相、化学稳定性好的产物。通常的固相法或者液相法在高温处理时容易造成尖晶石结构氧缺陷,材料没有按照化学计量比合成,出现了LixNi1-xO等杂质相,Mn3+没有完全消失,使得充放电过程中相变严重,易造成容量衰减、高倍率放电性能差等问题(H.Fang,Z.Wang et al.,Electrochem.Commun.,2007,9:989)。为了改善上述材料存在的缺陷,将铜、锌、镁、铝、锆、钛等金属元素对LiNi0.5Mn1.5O4材料进行掺杂改性,以便提高其电化学性能(其鲁,张春玲等,一种高电压锂离子电池掺杂正极材料及其制备方法,中国专利号:CN 101373832A)。但制得的材料在5V平台下的容量仍然偏低(120mAh.g-1左右),而且采用的液相共沉淀法制备过程较为繁琐,不易于工业化生产。
橄榄石型磷酸钴锂(LiCoPO4)正极材料具有高达4.8V(vs.Li/Li+)的放电平台,其理论容量为167mAh.g-1,是一种很有前途的5V正极材料。ElectrochemistryCommunications杂志2009年第11期95页报道了采用微波加热技术制备的LiCoPO4/C材料的放电电压平台在4.76V(vs.Li/Li+),首次放电容量为144mAh.g-1,25次循环后容量仅剩余80mAh.g-1,循环性能欠佳。纯相LiCoPO4材料存在着自身的缺点,如导电性差(电导率<10-9s/cm),导致大倍率放电性能不佳,不利于在高功率动力电池上使用;此外,钴资源短缺,限制了其应用。通过金属离子的掺杂,可在一定程度上改变材料的内部结构,提高其电化学性能。Electrochemistry Communications杂志2009年第11期137页报道了铁掺杂的磷酸钴锂正极材料(LiCo1-xFexPO4/C),当x=0.05时,在0.05C放电倍率条件下材料首次放电容量为120mAh.g-1,比未掺杂的LiCoPO4/C放电容量(108mAh.g-1)高出12mAh.g-1,但材料的放电容量仍然偏低。如果通过材料结构修饰和复合等技术对其性能进行改进,同时降低钴含量和成本,该材料在未来的锂离子动力电池市场将有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种锂离子电池用高电压正极材料及其制备方法。为了得到容量高、循环性能好的高电压正极材料,采用以钒取代磷酸钴锂(LiCoPO4)中的部分钴并进行碳包覆,在保持原有橄榄石结构的基础上进行有效掺杂、复合,增大了材料的电导率和Li+脱嵌速率,提高了材料在5V平台下的充放电容量和循环稳定性。将锂源化合物、钴源化合物、钒源化合物、磷源化合物和碳源物质球磨混合,干燥后在惰性气体保护下300~400℃预处理,然后在700~850℃焙烧得到一种锂离子电池用高电压正极材料,所制得的粉体由纳米级晶粒组成,比容量高,电化学性能好。
本发明一种锂离子电池用高电压正极材料的结构组成如下:
由Li1+0.5xCo1-xVx(PO4)1+0.5x和碳组成,其中0.01≤x≤0.11,碳含量为1~8wt%。
本发明一种锂离子电池用高电压正极材料的具体制备方法如下:
将锂源化合物、钴源化合物、钒源化合物、磷源化合物和碳源物质按摩尔比Li∶Co∶V∶P=(1+0.5x)∶(1-x)∶x∶(1+0.5x)混合,其中0.01≤x≤0.11;碳源物质中所含碳的质量在最终得到的一种锂离子电池用高电压正极材料总质量中所占的比例为1~8wt%,同时加入锂源化合物、钴源化合物、钒源化合物、磷源化合物和碳源物质质量总和的0.5~3倍的无水乙醇,在球磨机中球磨2~8小时,球磨机的转速为200~350转/分,球磨后在70~100℃下干燥,然后于300~400℃惰性气体保护下预烧4~8小时,自然冷却后研磨5~10分钟,在15~20MPa的压力下压片,于700~850℃惰性气体保护下焙烧10~24小时,自然冷却后研磨得到一种锂离子电池用高电压正极材料。
本发明使用的锂源化合物为碳酸锂、乙酸锂、磷酸二氢锂或氢氧化锂。
本发明使用的钴源化合物为乙酸钴、草酸钴、氧化亚钴或柠檬酸钴。
本发明使用的钒源化合物为五氧化二钒或偏钒酸铵。
本发明使用的磷源化合物为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或磷酸铵。
本发明使用的碳源物质为乙炔黑、导电炭黑、葡萄糖、柠檬酸、聚乙二醇、聚乙烯醇或酚醛树脂。
本发明使用的惰性气体为氩气、氮气、氩气与氢气的混合气体或者氮气与氢气的混合气体,其中混合气体中氢气体积含量为2~10%。
本发明一种锂离子电池用高电压正极材料,以钒取代部分钴,对磷酸钴锂进行掺杂、复合;钒离子进入磷酸钴锂晶格内部使晶胞体积减小,造成晶格缺陷,提升了磷酸钴锂自身的电导率。通过对磷酸钴锂内部结构的修饰,显著改善了其电导性和电化学性能。相对于磷酸钴锂4.76V的放电平台,经钒修饰后的Li1+0.5xCo1-xVx(PO4)1+0.5x/C高电压正极材料放电平台提高到4.82V(vs.Li/Li+);0.1C放电倍率条件下,Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C正极材料首次放电容量达134.8mAh.g-1,25次循环后的可逆容量为114.6mAh.g-1。与其他金属阳离子掺杂相比,本发明可以更加显著的提高材料在5V平台下的放电容量和循环性能,能有效增加锂离子电池的比能量,同时降低了材料成本,具有明显优势。
附图说明
图1为实施例1得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C的SEM图。
图2为实施例1得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C以及LiCoPO4/C的锂离子电池第二次循环时的放电曲线和一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C的锂离子电池前25次循环的容量循环次数曲线。
图3为实施例1和实施例2得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C和Li1.05Co0.9V0.1(PO4)1.05/C以及LiCoPO4/C的XRD谱图。
图4为实施例2得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.05Co0.9V0.1(PO4)1.05/C的锂离子电池在第二次循环时的充放电曲线。
具体实施方式
下面实施例是对本发明进一步说明,但不限制本发明的范围。
采用本发明制备的一种锂离子电池用高电压正极材料组装成扣式电池,测试方法如下:
在高电压正极材料粉末中加入15wt%Super P炭黑作为导电剂,10wt%PVDF(聚偏氟乙烯)(PVDF为配好的0.02g/mL的PVDF/NMP溶液,NMP为N-甲基吡咯烷酮)作为粘结剂,经充分搅拌均匀后,涂覆在铝箔上,放入80℃的烘箱中烘干后,用直径12.5毫米的冲头冲成极片,在压力为4MPa的压力下压片后,放入120℃的真空烘箱中干燥12小时。将极片转移到氩气手套箱中,以金属锂片为负极,Cellgard 2400为隔膜,1mol/L六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯与碳酸二甲酯(体积比1∶1)混合溶液为电解液,组装成CR2016扣式电池,在LAND电池测试系统(武汉蓝电电子有限公司提供)上进行恒流充放电性能测试,充放电截止电压相对于Li/Li+为3.2~5.1V,充电和放电倍率为0.1C,即10小时完成充电或放电。
实施例1
将0.5542g碳酸锂(0.015摩尔Li)、3.4628g乙酸钴(0.0139摩尔Co)、0.0665g五氧化二钒(0.00073摩尔V)、1.7255g磷酸二氢铵(0.015摩尔P)和0.1263g乙炔黑混合,同时加入4.5g无水乙醇,在球磨机中球磨5小时,球磨机的转速为250转/分,球磨后在80℃下干燥,然后于350℃氩气气体保护下预烧6小时,自然冷却后研磨10分钟,在15MPa的压力下压片,于750℃氩气气体保护下焙烧16小时,冷却后研磨,得到一种锂离子电池用高电压正极材料。所得材料组成为Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C;碳元素分析表明,材料中碳含量为4.96wt%。
图1为实施例1得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C的SEM图。由图可见,所得材料粒径为300~500纳米,颗粒均匀。
图2为实施例1得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C以及LiCoPO4/C的锂离子电池第二次循环时的放电曲线和一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C的锂离子电池前25次循环的容量循环次数曲线。由图可知,Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C和LiCoPO4/C材料的第二次循环放电容量分别为134.3mAh.g-1和109.3mAh.g-1,钒的掺杂与复合可明显提高磷酸钴锂的放电容量。25次循环后Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C材料的放电容量为114.6mAh.g-1,表现出良好的循环性能。
实施例2
将2.0404g乙酸锂(0.02摩尔Li)、1.3158g氧化亚钴(0.0171摩尔Co)、0.2228g偏钒酸铵(0.0019摩尔V)、2.3006g磷酸氢二铵(0.02摩尔P)和0.6183g葡萄糖混合,同时加入8.2g无水乙醇,在球磨机中球磨4小时,球磨机的转速为300转/分,球磨后在80℃下干燥,然后于300℃氮气气体保护下预烧5小时,自然冷却后研磨15分钟,在20MPa的压力下压片,于750℃氮气气体保护下焙烧16小时,自然冷却研磨,得到一种锂离子电池用高电压正极材料。所得材料组成为Li1.05Co0.9V0.1(PO4)1.05/C;碳元素分析表明,材料中碳含量为6.01wt%。
图3为实施例1和实施例2得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C和Li1.05Co0.9V0.1(PO4)1.05/C以及LiCoPO4/C的XRD谱图,结果表明材料具有良好的橄榄石晶体结构。当钒原子占钒和钴原子总数的5%时,只存在磷酸钴锂衍射峰,无其他杂质峰。当钒原子占钒和钴原子总数的10%时,除了主要的磷酸钴锂衍射峰之外,还存在较弱的磷酸钒锂的衍射峰,说明材料中存在少量磷酸钒锂。
图4为实施例2得到的一种锂离子电池用高电压正极材料Li1.05Co0.9V0.1(PO4)1.05/C的锂离子电池在第二次循环时的充放电曲线。由图可知,材料在第二次循环时,放电容量达124.2mAh.g-1。
实施例3
将1.1084g碳酸锂(0.03摩尔Li)、6.2856g草酸钴(0.0287摩尔Co)、0.0807g五氧化二钒(0.00089摩尔V)、3.4509g磷酸二氢铵(0.03摩尔P)和0.2497g导电碳黑,同时加入5.6g无水乙醇,在球磨机中球磨8小时,球磨机的转速为220转/分,球磨后在80℃下干燥,然后于350℃氩气气体保护下预烧5小时,自然冷却后研磨10分钟,在15MPa的压力下压片,于800℃氩气气体保护下焙烧10小时,自然冷却研磨,得到一种锂离子电池用高电压正极材料。所得材料组成为Li1.015Co0.97V0.03(PO4)1.015/C;碳元素分析表明,材料中碳含量为5.09wt%。材料的首次放电容量可达120.8mAh.g-1。
实施例4
将1.5590g磷酸二氢锂(0.015摩尔Li和0.015摩尔P)、3.4628g乙酸钴(0.0139摩尔)、0.0665g五氧化二钒(0.00073摩尔)和0.9418g柠檬酸混合,同时加入7.9g无水乙醇,在球磨机中球磨6小时,球磨机的转速为250转/分,球磨后在80℃下干燥,然后于350℃氩气气体保护下预烧6小时,自然冷却后研磨15分钟,在18MPa的压力下压片,于700℃氩气气体保护下焙烧20小时,自然冷却研磨,得到一种锂离子电池用高电压正极材料。所得材料组成为Li1.025Co0.95V0.05(PO4)1.025/C;碳元素分析表明,材料中碳含量为2.12wt%。材料的首次放电容量可达130.5mAh.g-1。
Claims (8)
1.一种锂离子电池用高电压正极材料,其特征在于结构组成如下:
由Li1+0.5xCo1-xVx(PO4)1+0.5x和碳组成,其中0.01≤x≤0.11,碳含量为1~8wt%。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征在于制备方法如下:
将锂源化合物、钴源化合物、钒源化合物、磷源化合物和碳碳源物质按摩尔比Li∶Co∶V∶P=(1+0.5x)∶(1-x)∶x∶(1+0.5x)混合,其中0.01≤x≤0.11;碳源物质中所含碳的质量在最终得到的一种锂离子电池用高电压正极材料总质量中所占的比例为1~8wt%,同时加入锂源化合物、钴源化合物、钒源化合物、磷源化合物和碳源物质质量总和的0.5~3倍的无水乙醇,在球磨机中球磨2~8小时,球磨机的转速为200~350转/分,球磨后在70~100℃下干燥,然后于300~400℃惰性气体保护下预烧4~8小时,自然冷却后研磨5~10分钟,在15~20MPa的压力下压片,于700~850℃惰性气体保护下焙烧10~24小时,自然冷却后研磨得到一种锂离子电池用高电压正极材料。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征是锂源化合物为碳酸锂、乙酸锂、磷酸二氢锂或氢氧化锂。
4.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征是钴源化合物为乙酸钴、草酸钴、氧化亚钴或柠檬酸钴。
5.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征是钒源化合物为五氧化二钒或偏钒酸铵。
6.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征是磷源化合物为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或磷酸铵。
7.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征是碳源物质为乙炔黑、导电炭黑、葡萄糖、柠檬酸、聚乙二醇、聚乙烯醇或酚醛树脂。
8.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用高电压正极材料的制备方法,其特征是惰性气体为氩气、氮气、氩气与氢气的混合气体或者氮气与氢气的混合气体,其中混合气体中氢气体积含量为2~10%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100714 |