CN102593443A - 一种制备阴极活性纳米复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,该阴极活性复合材料的通式为LiwMxMnyOz,其中M可以是一种或多种金属。本发明的制备过程为:从含锰和所需的掺杂元素M溶液中通过调整一定的反应条件制得晶体颗粒的前驱体,M均匀地掺杂到前驱体中去,然后通过前驱体与掺锂源化合物混合、烧结产生纳米晶体颗粒和均匀的锂、锰和所需的掺杂元素产物。本发明制备的复合材料用作电池的阴极材料时,可以提高电池的容量保留率、充电和放电率。
Description
技术领域
本发明属于材料学领域,具体涉及一种阴极活性纳米复合材料的制备方法。
发明背景
LiCoO2因具有较高的工作电压和高能量密度的优点,其为现今商业锂离子电池中最常使用的正极材料。但LiCoO2成本高、毒性大和相对较低的热稳定性,严重地限制了它的使用范围。这些限制刺激了大量的研究,以改善其热稳定性。但是低的热稳定性(尤其是当高充电放电率条件下使用电池时)引起的安全问题,LiCoO2的使用仍然受到限制。LiCoO2不适合运输用途的可充电电池的正极材料,因此它刺激了搜索替代正极材料,以便使用于电动汽车、混合动力电动汽车以及能源存储系统。LiNiO2有一种大的理论容量和高的排放潜力。然而,它在充电放电周期中,LiNiO2的晶体结构渐渐地处于折叠状态而降低了放电能力以及热稳定性。尖晶石结构的LiMn2O4是有吸引力的电池正极材料,因为其成本低、对环境无害和良好的热稳定性。不幸的是,由于循环中容量衰减快、高温时锰解散和高放电倍率差等问题,其商业应用受到限制。因此人们做了大量研究,以处理一个或多个问题,包括:引进杂原子(如镍、钴、铬等)到LiMn2O4的晶体结构中。修改的LiMn2O4可以用传统固体状态的反应法、溶胶-凝胶方法、微波法和喷雾干燥法制备。虽然这些方法提供了更加稳定的晶格,但它很难形成均匀掺杂。这可能会导致在循环过程中的相分离而缩短寿命。此外,由于颗粒通常比较大,几个微米的范围,这可能会降低电池性能,如高速率放电能力低。
电池材料的性能高度依赖形态、粒径、纯度和材料的导电性能等,不同材料合成过程随时可以产生不同的形态、粒径、纯度、或电导率材料。因此,电池材料的性能是高度依赖合成工艺。目前,生产LiwMxMnyOz新型材料大多采用固体状态的方法。由于金属掺杂需要,例如控制放电电压和提高电导率,传统固体状态法通常混合掺杂化合物与固体形式的主要金属前躯体。这种固态混合不能实现与其他前驱体均匀混合。因此,所合成材料的性能与质量将受到负面影响。此外,传统的加热方法,由于较长时间的加热,很容易导致严重粒子聚集,同时也增加能源消耗成本。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种新的工艺制备用于电池阴极的复合材料,该复合材料晶体混合均匀,在循环或存储过程中的材料无相分离,本发明制备的纳米活性复合材料可提高容量保留率、充电和放电倍率。
本发明所采用的技术方案如下:
一种阴极活性纳米复合材料,通式为LiwMxMnyOz,其中M是一种或多种金属元素,其制备方法包括如下步骤:
(1)至少一个水溶性金属盐和碱反应;
(2)干燥步骤(1)得到的产物,干燥温度为25~400℃;
(3)将步骤(2)的干燥产物与至少一个含锂前躯体研磨混合或铣削混合;
(4)添加含碳前躯体和/或含掺杂元素化合物;
(5)在惰性气体或空气或氧气环境中煅烧,煅烧温度为300~1100℃。
所述步骤(1)的水溶性金属盐为Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu的硫酸盐、硝酸盐或盐酸盐。
所述步骤(1)的碱为氢氧化钠或氢氧化铵。
所述步骤(3)中的锂前驱体为锂的氢氧化物、碳酸盐或醋酸盐。
所述步骤(4)中含碳前驱体为核糖、阿拉伯糖、木糖、果糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖的一个或多个。
所述步骤(4)中含碳前驱体为聚醚、聚乙二醇、聚酯、聚己内酯、聚乳酸、聚丁烯丁二酸、丁二酸己二酸丁二醇酯、对苯二甲酸和聚-羟基丁酸酯的一个或多个。
所述步骤(4)的掺杂元素为Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的一种或多种。
本发明工艺简单,容易控制,掺杂元素可均匀地分布到前驱体中,这样反应完全,不仅解决了容量减少和循环寿命降低以及安全问题,而且大大减少烧结时间降低了成本,烧结时间短,还降低了能耗和成本,提高了生产效率。
附图说明
图1为实施例4制备的Li(Mn0.3Ni0.5Co0.2)O2复合材料的扫描电镜照片;
图2为实施例4制备的Li(Mn0.3Ni0.5Co0.2)O2复合材料的XRD图。
具体实施方式
实施例1
制备Li(Mn0.9Mg0.1)O2阴极活性复合材料:这个实例中使用的试剂包括硫酸锰、硫酸镁、氢氧化钠、氢氧化铵。用除氧的去离子水制备2升1M NH4OH溶液,并加热到60℃。然后慢慢加入10.0M NH4OH(0.005升/小时)和2.0M MSO4(M=Mn和Mg,Mn/Mg=9∶1;0.035升/小时)。自动加入5.0M NaOH溶液,以保持一定的pH值。氢氧化钠溶液添加率接近基于预期的沉淀反应的预测值0.02升/小时。反应容器装有溢流管,用氮气加压反应的内容,以确保在反应过程中定容。反应时间取决于试剂总流动的速率和反应器体积,在这里被确定为20小时。总反应时间是40小时。反应完成后,固体材料被过滤和用5升除氧的去离子水漂洗几次。
固体材料干燥后与LiOH和PEG聚合物溶液混合。为获得均匀的混合物,混合当时也湿磨。在惰性气体保护下,混合后的混合物在最后温度730℃煅烧,获得Li(Mn0.9Mg0.1)O2复合材料。在本发明的各种实施方案中,混合物煅烧的下限温度约500℃,上限温度约1000℃。
实施例2
制备Li(Mn0.45Ni0.45Al0.1)O2阴极活性复合材料:这个实例中使用的试剂包括硫酸锰、硫酸镍、硫酸铝、氢氧化钠、氢氧化铵。用除氧的去离子水制备2升1M NH4OH溶液,并加热到60℃。然后慢慢加入10.0M NH4OH(0.005升/小时)和2.0M Mx(SO4)y(M=Mn,Ni和Al,Mn/Ni/Al=4.5∶4.5∶1;0.035升/小时)。自动加入5.0M NaOH溶液,以保持一定的pH值。氢氧化钠溶液添加率接近基于预期的沉淀反应的预测值0.02升/小时。反应容器装有溢流管,用氮气加压反应的内容,以确保在反应过程中定容。反应时间取决于试剂总流动的速率和反应器体积,在这里被确定为20小时。总反应时间是40小时。反应完成后,固体材料被过滤和用5升除氧的去离子水漂洗几次。
固体材料干燥后与LiOH和PEG聚合物溶液混合。为获得均匀的混合物,混合当时也湿磨。在惰性气体保护下,混合后的混合物在最后温度750℃煅烧,获得Li(Mn0.45Ni0.45Al0.1)O2复合材料。在本发明的各种实施方案中,混合物煅烧的下限温度约500℃,上限温度约1000℃。
实施例3
制备Li(Mn0.5Ni0.4Mg0.1)O2阴极活性复合材料:这个实例中使用的试剂包括硫酸锰、硫酸镍、硫酸镁、氢氧化钠、氢氧化铵。用除氧的去离子水制备2升1M NH4OH溶液,并加热到60℃。然后慢慢加入10.0M NH4OH(0.005升/小时)和2.0M MSO4(M=Mn,Ni和Mg,Mn/Ni/Mg=5∶4∶1;0.035升/小时)。自动加入5.0M NaOH溶液,以保持一定的pH值。氢氧化钠溶液添加率接近基于预期的沉淀反应的预测值0.02升/小时。反应容器装有溢流管,用氮气加压反应的内容,以确保在反应过程中定容。反应时间取决于试剂总流动的速率和反应器体积,在这里被确定为20小时。总反应时间是40小时。反应完成后,固体材料被过滤和用5升除氧的去离子水漂洗几次。
固体材料干燥后与LiOH和PEG聚合物溶液混合。为获得均匀的混合物,混合当时也湿磨。在惰性气体保护下,混合后的混合物在最后温度750℃煅烧,获得Li(Mn0.5Ni0.4Mg0.1)O2复合材料。在本发明的各种实施方案中,混合物煅烧的下限温度约500℃,上限温度约1000℃。
实施例4
制备Li(Mn0.3Ni0.5Co0.2)O2阴极活性复合材料:这个实例中使用的试剂包括硫酸锰、硫酸镍、硫酸钴、氢氧化钠、氢氧化铵。用除氧的去离子水制备2升1M NH4OH溶液,并加热到60℃。然后慢慢加入10.0M NH4OH(0.005升/小时)和2.0M MSO4(M=Mn,Ni和Co,Mn/Ni/Co=3∶5∶2;0.035升/小时)。自动加入5.0M NaOH溶液,以保持一定的pH值。氢氧化钠溶液添加率接近基于预期的沉淀反应的预测值0.02升/小时。反应容器装有溢流管,用氮气加压反应的内容,以确保在反应过程中定容。反应时间取决于试剂总流动的速率和反应器体积,在这里被确定为20小时。总反应时间是40小时。反应完成后,固体材料被过滤和用5升除氧的去离子水漂洗几次。
固体材料干燥后与LiOH和PEG聚合物溶液混合。为获得均匀的混合物,混合当时也湿磨。在惰性气体保护下,混合后的混合物在最后温度850℃煅烧,获得Li(Mn0.3Ni0.5Co0.2)O2复合材料。在本发明的各种实施方案中,混合物煅烧的下限温度约500℃,上限温度约1000℃。
实施例5
制备Li(Mn0.9Mg0.05Al0.05)O2阴极活性复合材料:这个实例中使用的试剂包括硫酸锰、硫酸镁、硫酸铝、氢氧化钠、氢氧化铵。用除氧的去离子水制备2升1M NH4OH溶液,并加热到60℃。然后慢慢加入10.0M NH4OH(0.005升/小时)和2.0M Mx(SO4)y(M=Mn,Mg,和Al,Mn/Mg/Al=9∶0.5∶0.5;0.035升/小时)。自动加入5.0M NaOH溶液,以保持一定的pH值。氢氧化钠溶液添加率接近基于预期的沉淀反应的预测值0.02升/小时。反应容器装有溢流管,用氮气加压反应的内容,以确保在反应过程中定容。反应时间取决于试剂总流动的速率和反应器体积,在这里被确定为20小时。总反应时间是40小时。反应完成后,固体材料被过滤和用5升除氧的去离子水漂洗几次。
固体材料干燥后与LiOH和PEG聚合物溶液混合。为获得均匀的混合物,混合当时也湿磨。在惰性气体保护下,混合后的混合物在最后温度730℃煅烧,获得Li(Mn0.9Mg0.05Al0.05)O2复合材料。在本发明的各种实施方案中,混合物煅烧的下限温度500℃,上限温度约1000℃。
Claims (7)
1.一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,该复合材料的通式为LiwMxMnyOz,其中M为一种或多种金属,其特征在于包括如下步骤:
(1)至少一个水溶性金属盐和碱反应;
(2)干燥步骤(1)得到的产物,干燥温度为25℃~400℃;
(3)将步骤(2)的干燥产物与至少一个含锂前躯体研磨混合或铣削混合;
(4)添加含碳前躯体和/或含掺杂元素化合物;
(5)在惰性气体或空气或氧气环境中煅烧,煅烧温度为300℃~1100℃。
2.根据权利要求1所述的一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)的水溶性金属盐为Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu的硫酸盐、硝酸盐或盐酸盐。
3.根据权利要求1所述的一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)的碱为氢氧化钠或氢氧化铵。
4.根据权利要求1所述的一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,其特征在于:所述步骤(3)的锂前驱体为锂的氢氧化物、碳酸盐或醋酸盐。
5.根据权利要求1所述的一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,其特征在于:所述步骤(4)中含碳前驱体为核糖、阿拉伯糖、木糖、果糖、半乳糖、葡萄糖和甘露糖的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,其特征在于:所述步骤(4)中含碳前驱体为聚醚、聚乙二醇、聚酯、聚己内酯、聚乳酸、聚丁烯丁二酸、丁二酸己二酸丁二醇酯、对苯二甲酸和聚-羟基丁酸酯的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的一种制备阴极活性纳米复合材料的方法,其特征在于:所述步骤(4)的掺杂元素为Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的一种或多种。
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