CN103247793A - 高性能复合型球形锂离子二次电池正极材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高性能的复合型球形锂离子二次电池正极材料的制备方法,以球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2为原料,与锂源化合物按摩尔比nLi/NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2=0.9-1.30﹕1,其中M为Co或Mn,进行混合均匀后,放入高温炉中进行烧结。在空气或氧气气氛条件下,在300-1000℃煅烧4-48h,经冷却、粉碎、分级和筛分后即可得到锂离子电池正极材料。本发明改善了高镍材料的表面形貌,减少了材料表面与电解液的恶化反应,提高了材料的循环寿命和安全性能;提高了材料的压实密度和首次充放电效率,同时避免了包覆其它非电化学活性物质导致容量降低的情况。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域,具体涉及一种复合型球形锂离子电池正极材料的制备方法。
技术背景
现在取代钴酸锂材料有两个方向,一是在动力电池领域,锰酸锂和磷酸铁锂是最有希望的材料,二是在通讯电池领域,镍钴锰酸锂材料是最有希望代替钴酸锂的正极材料。
镍钴锰酸锂材料具有较高的放电容量,其比容量比钴酸锂高出30%以上,而且和钴酸锂具有相同的上下限电压,比较容易规模化利用,价格相对较低。其安全性能相对较好,与电解液的相溶性好,循环性能优异,是最有可能在小型通讯和小型动力领域同时应用的电池正极材料,甚至有在大型动力领域应用的可能。但该材料的能量密度相对较低,材料的放电电压平台较低和首次充放电效率较低等缺陷还有待于解决。此材料的高容量和高安全性是其他材料无法比拟的,是将来锂电市场的发展趋势之一。随着研究的深入,产业化将会在最近2-5年内得到迅速发展。
锰酸锂材料具有较高的安全性、低廉的价格,使其在动力电池领域有广阔的应用前景。其缺点是该材料的比容量相对较低,高温循环性能差。
LiCO2作为第一代商品化的锂离子电池正极材料,还有许多不可取代的优势:材料的加工性能较好,密度高、比容量相对较高,材料的结构稳定,循环性能好,材料的电压平台较高且比较稳定,且目前最成熟,在短时间内,特别是在通讯电池领域还有不可替代的优势。但其缺点在于价格昂贵、容量几乎发挥到了极限、资源匮乏及安全性差等缺陷使得其必然在最近的5-10年内遭受被取代命运。
发明内容
本发明的目的在于改进LiNixCoyMn1-x-yO2(0.5≤x≤1)的放电平台电压和安全性能及循环寿命。首先通过共沉淀-结晶法合成NixCoyMn1-x-y(OH)2(0.5≤x≤1)前躯体,然后再通过化学法在其表面包覆一层M(OH)2(M=Co或Mn),最后再与锂盐充分混合,通过分步烧结制备出一种高性能的复合型球形锂离子二次电池正极材料。
本发明提供一种高性能的复合型球形锂离子二次电池正极材料的制备方法,所述的正极材料是由化学式(Ⅰ)表示的氧化物a和由化学式(Ⅱ)表示的氧化物b混合物,其中氧化物a﹕氧化物b的混合质量比在75﹕25–95﹕5之间。氧化物a为D50在6-15μm之间的球形颗粒,氧化物b为氧化物a的表面包覆层,包覆层厚度1-8μm之间。氧化物a的化学式为LiNixCo yMn1-x-yO2(Ⅰ),氧化物b的化学式为LiMO2(M=Co或Mn)(Ⅱ),其中0.5≤x≤1,0≤y≤1。
以球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2(M=Co或Mn)为原料,与锂源化合物按摩尔比nLi/NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2=0.9-1.30﹕1(M=Co或Mn)进行混合均匀后,放入高温炉中进行烧结。在空气或氧气气氛条件下,在300-1000℃煅烧4-48h,经冷却、粉碎、分级和筛分后即可得到锂离子电池正极材料。
通过在镍钴锰材料产品表面包覆一层钴酸锂或锰酸锂化合物,形成一种高性能的复合型球形锂离子电池正极材料。通过该方法改善了高镍材料的表面形貌,减少了材料表面与电解液的恶化反应,提高了材料的循环寿命和安全性能。另外该方法还提高了材料的压实密度和首次充放电效率,同时避免了包覆其它非电化学活性物质导致容量降低的情况。
本发明所述的正极材料的具体制备方法如下:
1、前驱体的制备:
锂离子二次电池正极材料球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2(M=Co或Mn)的制备方法,采用含有元素Ni、Co、Mn的可溶性盐作原料,加入去离子水,按照nNi﹕n Co﹕nMn=x﹕y﹕1-x-y配制成浓度为1-10mol/L的混合盐溶液A,然后加入适量的络合剂和沉淀剂进行共沉淀反应。采用过渡元素Ni、Co、Mn的可溶性盐包括硫酸盐或氯化盐或二者的混合水溶液。
共沉淀反应以1-15mol/L的氨水为络合剂,以1-15mol/L的NaOH或KOH为沉淀剂,控制其流速与过渡元素的可溶性混合盐溶液A混合加入反应釜中,控制反应体系中的温度为10-90℃,pH值为8-13.5,反应釜转速为50-500r/min,在反应器中反应4-10h后,经洗涤、过滤(滤布目数为200-800目)、干燥后方可得到均匀的球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2。其中可溶性混合盐溶A、络合剂、沉淀剂的流量分别为0.1-20mL/min、0.1-25mL/min、0.1-25mL/min。
2、前驱体的包覆:
将得到的球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2倒入反应釜中,然后加入其质量1-10倍的去离子水,制成母液B;含过渡元素M(M=Co或Mn)的可溶性盐作原料,加入去离子水,配置成浓度为0.5-5mol/L的盐溶液C,控制其流速加入到反应釜中,同时0.5-10mol/L的氨水为络合剂,0.5-10mol/L的NaOH或KOH为沉淀剂,按照一定的流速加入反应釜中,控制反应体系中的温度为40-90℃,pH值为7.5-14,反应釜转速为20-1000r/min,在反应器中反应2-6h后,经洗涤、过滤(滤布目数为200-400目)、干燥后得到球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2(M=Co或Mn)。其中可溶性混合盐溶液B、络合剂、沉淀剂的流量分别为0.1-20mL/min、0.1-25mL/min、0.1-25mL/min;母液B中溶质物质的量和混合盐溶液C中溶质物质的量的摩尔比在75﹕25-95﹕5之间。
3、正极材料的合成:
以球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2为原料,与锂源化合物按摩尔比nLi/NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2=0.9-1.30﹕1(M=Co或Mn)进行混合均匀后,放入高温炉,在空气或氧气气氛条件下,在300-1000℃煅烧4-48h,经冷却、粉碎、分级和筛分后即可得到锂离子电池正极材料。
本发明的优点是:
1、采用本发明制得的高密度型球形氢氧化物,具有密度高、活性好且可以获得准确的化学计量比。
2、通过在镍钴锰材料产品表面包覆一层钴酸锂或锰酸锂化合物,形成一种高密度复合型球形锂离子电池正极材料。通过该方法提高了三元材料的压实密度,放电电压平台和首次充放电效率,同时避免了包覆其它非电化学活性物质导致容量降低的后果。
3、通过在氧气气氛中的反应,可以避免了夹杂过渡金属的低价态离子,减少了材料在充放电过程中不可逆相结构的转变,使其化学组成更均一。
4、本发明提出的制造方法易于控制,生产成本低,易实现规模化生产,为大容量锂离子电池的发展创造了条件。
附图说明:
图1:实施例1制备的前驱体的SEM图谱;
图2:实施例1制备的正极材料的XRD图谱;
图3:实施例1制备的正极材料的SEM图谱;
图4:实施例1和对比实施例制备的正极材料的0.5C循环曲线图。
具体实施方式
为了解本发明的内容和特点,下面通过具体实施例和对比例来进一步说明:
实施例1:
以合成化学式LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2·LiCoO2为例,按Ni﹕Co﹕Mn=0.7﹕0.15﹕0.15的摩尔比配置分别配制过渡元素镍、钴和锰的硫酸盐溶液,以及2mol/L氨溶液和1.5mol/L的NaOH溶液,分别按照1L/min、0.5L/min、1.25L/min的流速注入反应釜中,保持反应温度在65℃,pH值为10.0,以200r/min.转速在反应器中反应6h后,经洗涤、过滤、干燥后方可得到均匀的球形Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2前驱体。然后再将Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2加入反应釜中,加入4倍质量的去离子水中;配制含过渡元素Co的硫酸盐溶液,硫酸盐溶液溶质总物质的量为Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2的10%,以1L/min的流速加入反应釜中,同时将1mol/L氨溶液和1.25mol/L的NaOH溶液,分别按照1L/min、1.25L/min的流速注入反应釜中,保持反应温度在85℃,pH值为11.0,以350r/min转速在反应器中反应4h后,经过滤、洗涤、干燥后方可得到的球形前驱体Ni0.75.Co0.15Mn0.15(OH)2·Co(OH)2。其扫描电子显微镜图谱(SEM)见附图1。
按照nLiOH·H2O﹕n(Ni+Co+Mn)=1.15﹕1的比例,称取相应的LiOH·H2O和Ni0.75.Co0.15Mn0.15(OH)2·Co(OH)2混合均匀。将混合后的样品在600-900℃烧结10-15h,通入氧气(流速1L/min),经冷却、分级粉碎、过筛后可得到锂离子电池正极材料LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2·LiCoO2。其X射线衍射图谱(XRD)见附图2。
该正极材料颗粒为球形颗粒(其SEM图谱见附图3)。然后将其作为锂离子电池正极材料,乙炔黑为导电剂,聚四氟乙烯为粘接剂,正极材料、导电剂和粘接剂按重量比为85﹕10﹕5分别进行称取,混合均匀后进行活膏,以铝箔为集流体进行涂片,以金属锂片为负极,以1.0mol/LiPF6/EC+DEC(1:1Vol.)为电解质,在充满氩气的不锈钢手套箱中装配成CR2032扣式电池。然后在LAND CT-2001A电池性能检测仪上测试该正极材料,0.1C容量和0.5C循环寿命测试,电压范围4.25V-2.75V。其0.1C首次放电容量为184mAh/g,0.5C下300次循环容量保持率为90%,其0.5C循环曲线图见附图4。
实施例2:
以合成化学式LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2·LiMn2O4为例,按Ni﹕Co﹕Mn=0.7﹕0.15﹕0.15的摩尔比配置分别配制过渡元素镍、钴和锰的硫酸盐溶液,以及2mol/L氨溶液和1.5mol/L的NaOH溶液,分别按照1L/min、0.5L/min、1.25L/min的流速注入反应釜中,保持反应温度在65℃,pH值为10.0,以200r/min.转速在反应器中反应6h后,经洗涤、过滤、干燥后方可得到均匀的球形Ni0.75Co0.15Mn0.15(OH)2前驱体。然后再将Ni0.75Co0.15Mn0.15(OH)2加入反应釜中,加入5倍质量的去离子水中;配制含过渡元素Mn的硫酸盐溶液,硫酸盐溶液溶质总物质的量为Ni0.7Co0.15Mn0.15(OH)2的10%,以2L/min的流速加入反应釜中,同时将2mol/L氨溶液和2.5mol/L的NaOH溶液,分别按照1L/min、1.25L/min的流速注入反应釜中,保持反应温度在85℃,pH值为10.5,以400r/min.转速在反应器中反应4h后,经过滤、洗涤、干燥后方可得到的球形前驱体Ni0.70.Co0.15Mn0.15(OH)2·Mn(OH)2。
按照nLiOH·H2O﹕n(Ni+Co+Mn)=1.15﹕1的比例,称取相应的LiOH·H2O和Ni0.75.Co0.15Mn0.15(OH)2·Mn(OH)2混合均匀。将混合后的样品在600-900℃烧结10-15h,通入氧气(流速1L/min),经冷却、分级粉碎、过筛后可得到锂离子电池正极材料LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2·LiMn2O4。
采取实施例1所述方法测试该正极材料的0.1C容量和0.5C循环寿命,其0.1C首次放电容量为181mAh/g和0.5C下300次循环容量保持率为91%。
对比实施例:
以合成化学式LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2为例,按Ni﹕Co﹕Mn=0.7﹕0.15﹕0.15的摩尔比配置分别配制过渡元素镍、钴和锰的硫酸盐溶液,以及2mol/L氨溶液和1.5mol/L的NaOH溶液,分别按照1L/min、0.5L/min、1.25L/min的流速注入反应釜中,保持反应温度在65℃,pH值为10.0,以200r/min.转速在反应器中反应6h后,经洗涤、过滤、干燥后方可得到均匀的球形Ni0.75Co0.15Mn0.15(OH)2前驱体。
按照nLiOH·H2O﹕n(Ni+Co+Mn)=1.15﹕1的比例,称取相应的LiOH·H2O和Ni0.75.Co0.15Mn0.15(OH)2·Mn(OH)2混合均匀。将混合后的样品在600-900℃烧结10-15h,通入氧气(流速1L/min),经冷却、分级粉碎、过筛后可得到锂离子电池正极材料LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2。
采取实施例1所述方法测试该正极材料的0.1C容量和0.5C循环寿命,其0.1C首次放电容量为177mAh/g,0.5C下300次循环容量保持率为70%,其0.5C循环曲线图见附图4。
Claims (10)
1.一种高性能的复合型球形锂离子二次电池正极材料,其特征在于:所述的正极材料是由化学式(Ⅰ)表示的氧化物a和由化学式(Ⅱ)表示的氧化物b混合物,氧化物a的化学式为LiNixCo yMn1-x-yO2(Ⅰ),氧化物b的化学式为LiMO2(M=Co或Mn)(Ⅱ),其中0.5≤x≤1,0≤y≤1;其中氧化物a﹕氧化物b的混合质量比在75﹕25–95﹕5之间;氧化物a为D50在6-15μm之间的球形颗粒,氧化物b为氧化物a的表面包覆层,包覆层厚度1-8μm之间。
2.根据权利要求1所述的一种高性能的复合型球形锂离子二次电池正极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)正极材料球形前驱体的制备:采用含Ni、Co、Mn的可溶性盐作原料,加入去离子水,按照nNi﹕nCo﹕nMn=x:y:1-x-y调制成浓度为1-10mol/L的混合盐溶液A,然后再加入适量的络合剂和沉淀剂进行共沉淀反应;
(2)正极材料球形前驱体的包覆:将制得的球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2倒入反应釜中,然后加入其质量1-10倍的去离子水,制成母液B;含过渡元素M的可溶性盐作原料,加入去离子水,配置成浓度为0.5-5mol/L的盐溶液C,加入到反应釜中,同时0.5-10mol/L的氨水作络合剂,0.5-10mol/L的NaOH或KOH为沉淀剂,加入反应釜中反应,经洗涤、过滤和干燥后得到球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2,其中M=Co或Mn;
(3)正极材料的合成:以球形前驱体NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2为原料,与锂源化合物按摩尔比nLi/NixCoyMn1-x-y(OH)2·M(OH)2=0.9-1.30﹕1(M=Co或Mn)进行混合均匀后,放入高温炉中进行烧结,经冷却、粉碎、分级筛分后即可得到锂离子电池正极材料;其中M=Co或Mn。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的可溶性盐为硫酸盐或氯化盐或其二者的混合物。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的络合剂为浓度1-15mol/L氨水,沉淀剂为浓度1-15mol/L的NaOH或KOH。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的可溶性混合盐溶液、络合剂、沉淀剂进入反应釜的流量分别为5-20mL/min、1-10mL/min、5-15mL/min;反应温度为10-90℃;pH值为8-13.5,反应釜中搅拌器的转速为50-500r/min,反应时间为4-10h后进行过滤、洗涤和干燥。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中反应釜中控制反应体系的温度为40-90℃,pH值为7.5-14,反应釜中搅拌器的转速为20-1000r/min,在反应釜中反应2-6h。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中可溶性混合盐溶液B、络合剂、沉淀剂的流量分别为0.1-20mL/min、0.1-25mL/min、0.1-25mL/min。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中母液B中溶质物质的量和盐溶液C中溶质物质的量的摩尔比在75﹕25-95﹕5之间。
9.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中放入高温炉中进行烧结,在空气或氧气气氛条件下,在300-1000℃煅烧4-48h。
10.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述的锂源化合物为碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂和草酸锂中的一种或两种。
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