CN102034967A - 一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法 - Google Patents

一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法 Download PDF

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Abstract

一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法，其特征在于：将含镍、锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解，加入浓度为0.5-3mol/L的沉淀剂，形成共沉淀，且反应过程中保持pH值6-12，过滤、洗涤于60℃-90℃下干燥3-8小时，将共沉淀于300℃-550℃预烧3-8小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后与含锂化合物按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合6-12小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体于700℃-900℃下焙烧8-16小时，并于550℃-650℃下退火1-30小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色本发明产品。

Description

一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，为一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法，具体而言，涉及新型锂离子电池高电压正极材料——尖晶石氧化镍锰锂共沉淀的制备方法。
技术背景
进入二十一世纪，伴随着汽车带来的全球性的能源危机与环境污染，各国政府都先后投入巨资加大新能源汽车的发展，新能源电动汽车与混合动力汽车成为时代的宠儿。目前电动车用动力电池主要有三种：铅酸电池、镍氢电池和锂动力电池。从将来的发展趋势看，锂离子动力电池将成为主流，具有广阔的应用前景，相应的，锂离子动力电池关键材料的正极研发必须跟上时代要求。
锂离子动力电池对正极材料的要求首先具有较好的安全性能，在较宽泛的温度范围内能够正常工作，同时具有较高的能量密度，能够适应锂离子电池对正极材料高功率性能的要求，而能量密度又主要取决于材料本身的工作电压、容量、以及材料的振实密度等电化学和物理性能，目前行业内研究的热点主要集中在橄榄石过渡金属磷酸盐系正极材料(LiMPO4)和尖晶石锰系正极材料上。
对于尖晶石锰系材料而言，通常使用较多的是锰酸锂(LiMn2O4)材料，但该材料存在与生俱来的问题就是，的充放电循环性能差，容量衰减很快。通常认为其中的主要原因是Mn3+的存在产生了Jahn-Teller效应，材料在充放电过程中发生晶格畸变，造成体积收缩或膨胀。
针对锰酸锂材料存在的上述问题，采用过渡金属Ni取代部分锰位，生成尖晶石相氧化镍锰锂LiNi0.5Mn1.5O4，可以提高电池的充放电电压，达到4.7V左右，充分抑制了Jahn-Teller效应的发生，有效地提高了电极的循环寿命。
尖晶石氧化镍锰锂的合成方法主要有：固相反应法、溶胶-凝胶法、高温熔盐法、乳胶干燥法、沉淀法、超声波喷雾高温分解法、聚合物高温分解法等。用固相法制备尖晶石氧化镍锰锂具有制备过程简单，反应物和产物的成份容易控制，以及适合产业化生产等诸多优点。但是制备过程中容易产生NiO和LizNi1-zO等不纯的非尖晶石杂相物质，影响产品的纯度以及材料的电化学性能，最终影响锂离子动力电池的容量发挥以及循环寿命。
发明内容
本发明的目的是针对常规固相制备方法中存在的原料混合不均、产品纯度不高，批次稳定性难以控制等问题，提供一种成本较低，工艺简单，产品质量稳定，且容量和循环性能均满足锂离子动力电池要求的高电压正极材料制备方法。在保证容量发挥和循环性能的前提下，得到一种放电平台电压在4.7V左右的氧化镍锰锂正极材料。
本发明涉及一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法，其特征在于：
将含镍源化合物、锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解后，加入浓度为0.5-3mol/L的沉淀剂，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在6-12之间，将沉淀过滤、洗涤而后于60℃-90℃下干燥3-8小时，而后将共沉淀置于马弗炉于300℃-550℃预烧3-8小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与含锂化合物按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合6-12小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于700℃-900℃下焙烧8-16小时，并于550℃-650℃下退火1-30小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
按照本发明所述的制法，其特征在于：
将含镍源化合物、锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解后，加入沉淀剂，形成镍、锰化合物的共沉淀，所选的含镍化合物为硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍中的一种或两种以上；所选的含锰化合物为硝酸锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰中的一种或两种以上；所选沉淀剂为碳酸钠溶液、氢氧化钠溶液、碳酸氢铵溶液、草酸铵中的一种或两种以上；沉淀剂的浓度在0.8-2.4mol/L之间，且反应过程中保持pH值稳定在7-11之间，将沉淀过滤、洗涤而后于70℃-80℃下干燥4-6小时，而后将共沉淀置于马弗炉于350℃-500℃预烧5-7小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与含锂化合物按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合5-10小时，所选的锂源化合物为醋酸锂、碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂中的一种或两种以上得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于750℃-850℃下焙烧10-15小时，并于600℃-650℃下退火4-24小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
按照本发明所述的制法，其进一步特征在于：
将含硝酸镍、乙酸锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解后，加入浓度为1mol/L的草酸铵溶液作为沉淀剂，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在7左右，将沉淀过滤、洗涤而后于70℃下干燥5小时，而后将共沉淀置于马弗炉于450℃预烧7小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与含碳酸锂按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合8小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于850℃下焙烧12小时，并于600℃下退火16小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
本发明的有益效果是合成工艺相对宽松，易于控制且采用该工艺制备的尖晶石镍锰酸锂样品，各原料由于达到了分子水平上的均匀混合，放电容量较高，且循环性能较好。
附图说明：
图1实施例1样品的XRD谱图；
图2对比例1样品的XRD谱图；
图3实施例1样品的充放电曲线；
图4实施例1样品的充放电曲线；
图5实施例1样品的扫描电镜照片；
具体实施方式：
实施例1
称取4水乙酸锰37.13g，6水硝酸镍14.84g，加入去离子水溶解后，加入浓度为0.5mol/L的草酸铵，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在7左右，将沉淀过滤、洗涤而后于70℃下干燥5小时，而后将共沉淀置于马弗炉于450℃预烧7小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与3.99g碳酸锂球磨混合8小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于850℃下焙烧12小时，并于650℃下退火16小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
将正极活性物质、导电剂(乙炔黑)和聚偏氟乙烯(PVDF)粘接剂按90∶5∶5的质量比均匀混合，溶于溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌混合均匀，抽真空除去混浆中的气体，均匀涂在20μm厚的铝箔上，于100℃下烘干，在15MPa压力下碾压，用圆冲切成直径为20mm的圆片作为正极片。
将做好的正极片置于真空干燥箱中，在80℃下真空干燥12h以上后留备用。以金属锂片为对电极，直径为24mm，厚度为0.30mm，与正极活性物质相比，锂负极的用量过剩。采用20μm厚、直径为28mmCelgard隔膜。电解液采用1mol/L LiPF6，溶剂用碳酸乙烯酯(EC)和二甲基碳酸酯(DMC)(体积比1∶1)的混合液。在水分小于5ppm干燥间内组装成CR2430型扣式电池，静置12h后待测试。
实施例2
称取4水硝酸锰38.03g，4水醋酸镍12.69g，加入去离子水溶解后，加入浓度为2mol/L的碳酸钠溶液，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在8左右，将沉淀过滤、洗涤而后于80℃下干燥4小时，而后将共沉淀置于马弗炉于400℃预烧8小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与7.31g硝酸锂球磨混合6小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于750℃下焙烧12小时，并于600℃下退火6小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。(下同实施例1)
实施例3
称取4水氯化锰27.26g，6水氯化镍12.13g，；加入去离子水溶解后，加入2mol/L氢氧化钠水溶液，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在11左右，将沉淀过滤、洗涤而后于75℃下干燥4.5小时，而后将共沉淀置于马弗炉于500℃预烧8小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与4.45g氯化锂球磨混合7小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于900℃下焙烧12小时，并于600℃下退火20小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。(下同实施例1)
对比例1
称取碳酸锰11.42g，氧化镍3.81g，碳酸锂3.99g，球磨8小时得前驱体，将前驱体与450℃焙烧7小时，而后于850℃焙烧12小时，600℃退火12小时，随炉冷却、过250目筛后得灰黑色产品。(以下同实施例1)
表1实施例与对比例试验效果对比
Figure BSA00000341973700061

Claims (3)

1.一种高电压锂电池正极材料氧化镍锰锂的共沉淀制法，其特征在于：
将含镍源化合物、锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解后，加入浓度为0.5-3mol/L的沉淀剂，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在6-12之间，将沉淀过滤、洗涤而后于60℃-90℃下干燥3-8小时，而后将共沉淀置于马弗炉于300℃-550℃预烧3-8小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与含锂化合物按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合6-12小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于700℃-900℃下焙烧8-16小时，并于550℃-650℃下退火1-30小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
2.按照权利要求1所述的制法，其特征在于：
将含镍源化合物、锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解后，加入沉淀剂，形成镍、锰化合物的共沉淀，所选的含镍化合物为硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍中的一种或两种以上；所选的含锰化合物为硝酸锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰中的一种或两种以上；所选沉淀剂为碳酸钠溶液、氢氧化钠溶液、碳酸氢铵溶液、草酸铵中的一种或两种以上；沉淀剂的浓度在0.8-2.4mol/L之间，且反应过程中保持pH值稳定在7-11之间，将沉淀过滤、洗涤而后于70℃-80℃下干燥4-6小时，而后将共沉淀置于马弗炉于350℃-500℃预烧5-7小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与含锂化合物按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合5-10小时，所选的锂源化合物为醋酸锂、碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂中的一种或两种以上得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于750℃-850℃下焙烧10-15小时，并于600℃-650℃下退火4-24小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
3.按照权利要求1所述的制法，其进一步特征在于：
将含硝酸镍、乙酸锰源化合物按照化学计量比Ni∶Mn＝0.5∶1.5加入去离子水溶解后，加入浓度为1mol/L的草酸铵溶液作为沉淀剂，形成镍、锰化合物的共沉淀，且反应过程中保持pH值稳定在7左右，将沉淀过滤、洗涤而后于70℃下干燥5小时，而后将共沉淀置于马弗炉于450℃预烧7小时，得灰黑色镍、锰复合氧化物，而后将镍、锰复合氧化物与含碳酸锂按化学计量比Ni∶Mn∶Li＝0.5∶1.5∶1.05球磨混合8小时，得到氧化镍锰锂前驱体，将前驱体放入马弗炉中于850℃下焙烧12小时，并于600℃下退火16小时，随炉冷却后经粉碎、二次造粒后得到灰黑色产品。
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