CN102751470A - 一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,涉及锂离子电池正极材料领域。制备前躯体:将配制好的镍盐和锰盐的混合溶液,与NaOH溶液及氨水进行反应,生成球形的Ni0.5Mn1.5(OH)4;将按配制好的镍盐、钴盐和锰盐的混合溶液、NaOH溶液及氨水加入前躯体Ni0.5Mn1.5(OH)4悬浊液中进行反应,经离心分离、洗涤、干燥后得到包覆有微量NixCoyMnz(OH)2的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)4。将制备好的前躯体与锂盐混合,经过700~900℃高温热处理制备出包覆有微量Li1+a[NixCoyMnz]O2的高电压复合正极材料LiNi0.5Mn1.5O4。本发明的优点在于:采用两步法制备前驱体更有利于产物的均匀性;包覆后的材料循环稳定性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域,具体涉及一种锂离子电池高电压复合正极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池由于具有高能量密度、高电压、高负载能力、无记忆效应、无污染、循环寿命长、安全性优良等诸多优点,成为世界各国电源材料研发的重点。目前所使用的正极材料如LiCoO2、LiMnO4、LiNiO2和LiFePO4的电压都低于4V,限制了电池的功率。如果需要较高的电压时,就必须将多个以上述材料为正极的电池串联在一起使用,这样给维护和使用带来了很多的不便。如果能将正极材料的电压提高,那么上述问题就得到了很好的解决。近年来,随着耐高压电解液的研制成功,由过渡金属取代的具有尖晶石结构的LiMxMn2-xO4(M:Cr、Co、Fe、Ni、Cu),由于在4.5V以上有一个高的电压平台,具有更高的能量密度,而得到了人们的广泛关注。在这类材料中研究较多的是LiNi0.5Mn1.5O4。
尖晶石型镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4具有高能量密度、高电压、资源丰富、价格便宜等优点。它在4.7V附近能可逆的嵌入和脱嵌锂离子,对应Ni2+/Ni4+的氧化还原,而且具有较高的理论比容量147mAh/g,高的能量密度690Wh/Kg。材料中的Mn4+不参与氧化还原反应,在晶格中起骨架的作用,而且可以消除由于Mn3+的形成引发的在循环过程中晶格的变形,使该正极材料可呈现出最好的循环稳定性。
高温煅烧是制备此种材料常用方法,但是当烧结温度高于700℃时,会出现氧缺失,致使少量的Mn4+还原成Mn3+,使得其在充放电过程中出现一个4V电压平台。而且LiNi0.5Mn1.5O4在充放电过程中,当电压接近5V时,电极表面的电解液会不停的氧化分解,分解产物沉积于电极表面,阻碍锂离子的正常嵌入和脱出,随着循环次数的增加,有效的锂会越来越少,导致电化学性能恶化。所以要将正极材料商业化,解决以上问题迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,本发明提出的一种通过材料表面包覆Li1+a[NixCoyMnz]O2的方法以提高锂离子电池正极材料的电化学稳定性。
本发明的一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,包括前驱体的制备、前驱体的包覆、高温处理过程,具体操作步骤是:
(一)前驱体的制备
步骤一:按化学计量比分别称取镍源化合物和锰源化合物,在搅拌条件下用去离子水配制成Ni+Mn的浓度为0.1~4mol/L的镍锰混合溶液;
步骤二:配制浓度为0.1~10mol/L的NaOH溶液;
步骤三:配制浓度为0.1~20mol/L的氨水;
步骤四:将步骤一、二、三中分别配制的镍锰混合溶液、NaOH溶液以及氨水用计量泵分别连续输入到带搅拌的反应器中,控制反应器内反应液的pH值为8~14,控制反应温度为30~60℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌12~24h,得到带有母液的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)4;
(二)前驱体的包覆
步骤五:按化学计量比分别称取镍源化合物、钴源化合物和锰源化合物,在搅拌条件下用去离子水配制成Ni+Co+Mn的浓度为0.1~4mol/L的镍钴锰混合溶液;
步骤六:将步骤五、二、三中分别配制的镍钴锰混合溶液、NaOH溶液、及氨水用计量泵分别连续输入到装有步骤四中的母液的反应器中,控制反应器内反应液的pH值为8~14,控制反应温度为30~60℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌12~24h;
步骤七:将步骤六反应后得到的物料转入固液分离器中进行固液分离,用去离子水洗涤固液分离所得的固体产物至洗涤水的pH值小于8为止,洗涤后的产物经干燥、筛分,得到包覆有微量NixCoyMnz(OH)2的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)4,其中:0<x<0.4,0<y<0.3,0.4<z<1,0.3<x+y+z<1;
(三)高温处理
步骤八:将步骤七中制备的前驱体与锂源化合物按照Li∶(Ni+Mn)=0.9~1.1∶1混合均匀,在空气中于700~900℃下热处理8~48h后即获得包覆有微量Li1+a[NixCoyMnz]O2的高电压复合正极材料LiNi0.5Mn1.5O4,其中:0<a<1,0<x<0.4,0<y<0.3,0.4<z<1,0.3<x+y+z<1。
进一步地,本发明一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,还具有如下特点:步骤一中的镍源化合物为硝酸镍、氢氧化镍、碳酸镍、氧化镍及醋酸镍中的一种;锰源化合物为碳酸锰、硝酸锰、醋酸锰、氢氧化锰、化学二氧化锰、电解二氧化锰中的一种。
步骤五中的镍源化合物为硝酸镍、氢氧化镍、碳酸镍、氧化镍及醋酸镍中的一种;锰源化合物为碳酸锰、硝酸锰、醋酸锰、氢氧化锰、化学二氧化锰、电解二氧化锰中的一种;钴源化合物为硫酸钴、氢氧化钴、氯化钴、硝酸钴、乙酸钴的一种。
步骤八中的锂源化合物为氢氧化锂、醋酸锂、碳酸锂、硝酸锂中的一种。
本发明有以下优点:
1、液相沉淀法合成工艺,实现了镍、锰以及包覆物在分子水平的混合,避免了固相合成时球磨混料造成的元素的分布不均匀。
3、本方法通过在高电压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的表面包覆一层微量的Li1+a[NixCoyMnz]O2(0<a<1,0<x<0.4,0<y<0.3,0.4<z<1,0.3<x+y+z<1),改善了正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的稳定性。
具体实施方式
下面用最佳的实施例对本发明作详细的说明。
实施例一:
A、把按镍、锰金属离子摩尔比为0.5∶1.5的硫酸镍、硫酸锰溶于去离子水中,配制成总浓度为1mol/L的均匀的镍锰混合溶液。把金属盐的混合溶液,3mol/L氨水和2mol/L氢氧化钠溶液同时泵入到反应釜中,控制反应釜内反应液的pH值为8.5,控制反应温度为40℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌20h,控制共沉淀的粒D50=9μm。再把按镍、钴、锰金属离子摩尔比为0.233∶0.233∶0.533的硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰溶于去离子水中,配成镍、钴、锰离子总浓度为1mol/L的均匀混合溶液,将混合溶液,氨水和氢氧化钠溶液同时泵入到反应釜中进行共沉淀反应,产物经过离心、清洗、烘干,得到外覆微量Ni0.233Co0.233Mn0.533(OH)2的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)2。
B、将前驱体与碳酸锂按摩尔比Li∶(Ni+Mn)=1.10∶1的比例进行均匀混合,将混合好的粉末压实,在空气中800℃烧结,保温12h,停止加热,于炉内自然冷却至室温,过200目振动筛得到包覆微量Li1.1[Ni0.233Co0.233Mn0.533]O2的球形LiNi0.5Mn1.5O4。
C、测得该产品平均粒为8~10μm,振实密度为2.1g/cm3。以纯金属锂片作负极,测得该样品在室温及电流密度为0.8mA/cm2时的首次放电比容量为135mAh/g,30次充放电循环后的放电比容量为130mAh/g。
实施例二:
A、把按镍、锰金属离子摩尔比为0.5∶1.5的硫酸镍、硫酸锰溶于去离子水中,配制成总浓度为0.1mol/L的均匀的镍锰混合溶液。把金属盐的混合溶液,3mol/L氨水和2mol/L氢氧化钠溶液同时泵入到反应釜中,控制反应釜内反应液的pH值为8.5,控制反应温度为40℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌20h,控制共沉淀的粒D50=9μm。再把按镍、钴、锰金属离子摩尔比为0.233∶0.133∶0.633的硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰溶于去离子水中,配成镍、钴、锰离子总浓度为1mol/L的均匀混合溶液,将混合溶液,氨水和氢氧化钠溶液同时泵入到反应釜中进行共沉淀反应,产物经过离心、清洗、烘干,得到外覆微量Ni0.233Co0.133Mn0.633(OH)2的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)2。
B、将前驱体与碳酸锂按摩尔比Li∶(Ni+Mn)=1.10∶1的比例进行均匀混合,将混合好的粉末压实,在空气中800℃烧结,保温12h,停止加热,于炉内自然冷却至室温,过200目振动筛得到包覆微量Li1.1[Ni0.233Co0.133Mn0.633]O2的球形LiNi0.5Mn1.5O4。
C、测得该产品平均粒为8~10μm,振实密度为2.2g/cm3。以纯金属锂片作负极,测得该样品在室温及电流密度为0.8mA/cm2时的首次放电比容量为132mAh/g,30次充放电循环后的放电比容量为130mAh/g。
比较实施例:
A、把按镍、锰金属离子摩尔比为0.5∶1.5的硫酸镍、硫酸锰溶于去离子水中,配制成总浓度为0.1mol/L的均匀的镍锰混合溶液。把金属盐的混合溶液,3mol/L氨水和2mol/L氢氧化钠溶液同时泵入到反应釜中,控制反应釜内反应液的pH值为8.5,控制反应温度为40℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌20h,控制共沉淀的粒D50=9μm。产物经过离心、清洗、烘干,得到球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)2。
B、将前驱体与碳酸锂按摩尔比Li∶(Ni+Mn)=1.10∶1的比例进行均匀混合,将混合好的粉末压实,在空气中800℃烧结,保温12h,停止加热,于炉内自然冷却至室温,过200目振动筛得到球形LiNi0.5Mn1.5O4。
C、测得该产品平均粒为6~8μm,振实密度为1.8g/cm3。以纯金属锂片作负极,测得该样品在室温及电流密度为0.8mA/cm2时的首次放电比容量为128mAh/g,30次充放电循环后的放电比容量为115mAh/g。
以上实施例是本发明较优选具体实施方式的一种,本领域技术人员在本技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,其特征在于,包括前驱体的制备、前驱体的包覆、高温处理过程,具体操作步骤是:
(一)前驱体的制备
步骤一:按化学计量比分别称取镍源化合物和锰源化合物,在搅拌条件下用去离子水配制成Ni+Mn的浓度为0.1~4mol/L的镍锰混合溶液;
步骤二:配制浓度为0.1~10mol/L的NaOH溶液;
步骤三:配制浓度为0.1~20mol/L的氨水;
步骤四:将步骤一、二、三中分别配制的镍锰混合溶液、NaOH溶液以及氨水用计量泵分别连续输入到带搅拌的反应器中,控制反应器内反应液的pH值为8~14,控制反应温度为30~60℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌12~24h,得到带有母液的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)4;
(二)前驱体的包覆
步骤五:按化学计量比分别称取镍源化合物、钴源化合物和锰源化合物,在搅拌条件下用去离子水配制成Ni+Co+Mn的浓度为0.1~4mol/L的镍钴锰混合溶液;
步骤六:将步骤五、二、三中分别配制的镍钴锰混合溶液、NaOH溶液、及氨水用计量泵分别连续输入到装有步骤四中的母液的反应器中,控制反应器内反应液的pH值为8~14,控制反应温度为30~60℃,并对反应釜内的物料进行强烈搅拌12~24h;
步骤七:将步骤六反应后得到的物料转入固液分离器中进行固液分离,用去离子水洗涤固液分离所得的固体产物至洗涤水的pH值小于8为止,洗涤后的产物经干燥、筛分,得到包覆有微量NixCoyMnz(OH)2的球形前驱体Ni0.5Mn1.5(OH)4,其中:0<x<0.4,0<y<0.3,0.4<z<1,0.3<x+y+z<1;
(三)高温处理
步骤八:将步骤七中制备的前驱体与锂源化合物按照Li∶(Ni+Mn)=0.9~1.1∶1混合均匀,在空气中于700~900℃下热处理8~48h后即获得包覆有微量Li1+a[NixCoyMnz]O2的高电压复合正极材料LiNi0.5Mn1.5O4,其中:0<a<1,0<x<0.4,0<y<0.3,0.4<z<1,0.3<x+y+z<1。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,其特征在于,步骤一中的镍源化合物为硝酸镍、氢氧化镍、碳酸镍、氧化镍及醋酸镍中的一种;锰源化合物为碳酸锰、硝酸锰、醋酸锰、氢氧化锰、化学二氧化锰、电解二氧化锰中的一种。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,其特征在于,步骤五中的镍源化合物为硝酸镍、氢氧化镍、碳酸镍、氧化镍及醋酸镍中的一种;锰源化合物为碳酸锰、硝酸锰、醋酸锰、氢氧化锰、化学二氧化锰、电解二氧化锰中的一种;钴源化合物为硫酸钴、氢氧化钴、氯化钴、硝酸钴、乙酸钴的一种。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池高电压复合正极材料制备方法,其特征在于,步骤八中的锂源化合物为氢氧化锂、醋酸锂、碳酸锂、硝酸锂中的一种。
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