CN103474639A - 富锂锰基正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高比容量、高倍率性能结构稳定及其控制容易、重复性好的富锂锰基正极材料及其制备方法。该正极材料包括低熔点锂化合物1.00-2.00mol,低熔点镍化合物0.05-0.40mol,低熔点锰化合物0.50-0.90mol,低熔点掺杂金属离子化合物0.01-0.10mol。该方法是将低熔点镍化合物、低熔点锰化合物和低熔点掺杂金属离子化合物进行混合后加热至90-400℃,之后在熔融状态下加入低熔点锂化合物混合后,再升温预分解,之后相继进行冷却、破碎并粉磨,之后进行600℃-1000℃、0.5-12.0小时的高温处理。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池材料,特别是一种富锂锰基正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池正极材料是锂离子电池的关键原材料之一,其性能的优劣直接影响锂离子电池的性能,目前市场上的正极材料主要有钴酸锂,尖晶石锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴酸锂、磷酸亚铁锂等材料。其中钴酸锂是率先实现商品化的正极材料,其性能稳定、制备简单、工艺成熟,但因其资源储量有限,因此钴酸锂的生产成本相对较高,而且钴因具有一定的毒性而在一定程度上限制了其使用,另外钴酸锂安全性较差,需要其它材料作为其替代品。尖晶石锰酸锂是目前市场上最低廉的正极材料,安全性也好,但是其比容量很低、循环性能差。镍钴锰酸锂与钴酸锂相比,价格低,比容量高,安全性好,对环境更友好,但是其平台电压低,压实密度也要更低一些。镍钴酸锂具有好的电化学性能,但是其价格比镍钴锰酸锂要高,并且安全性差。
近年来系列富锂锰基正极材料Li[NixLi1/3-2x/3Mn2/3-x/3]O2因具有较高的放电比容量,充放电电压范围宽而成为研究热点,但是该材料的导电性能不理想,存在明显的缺陷,需要掺杂处理。目前富锂锰基正极材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、共沉淀法和水热法等,这些方法都存在不同程度的不足,如溶胶-凝胶法需要络合剂,同时要严格控制工艺过程,原料选择要求高,生产成本相对较高;而采用碳酸盐和氢氧化物共沉淀法,由于存在不同元素的碳酸盐或氢氧化物的溶解度不同,造成不同离子的沉淀不一致,使元素化学计量发生偏差,另外溶液中Mn2+容易氧化,使得制备的材料性能波动较大,同时共沉淀的工艺及控制条件较为复杂。
综上所述,目前研究的富锂锰基正极材料及其合成方法在一定程度上限制了其工业化生产和实际应用,因此迫切需要一种操作容易,工艺简单,成本低廉的合成方法,促进这种具有应用前景的材料尽快实现工业化生产。
发明内容
本发明目的在于提供一种富锂锰基正极材料及其制备方法,该材料具有高比容量、高倍率性能、价格低廉、电化学性能优良、结构稳定等特点,该方法具有操作简单、控制容易、重复性好、不需要苛刻的反应条件。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
富锂锰基正极材料包括以下摩尔组分:低熔点锂化合物1.00-2.00mol,低熔点镍化合物0.05-0.40mol,低熔点锰化合物0.50-0.90mol,低熔点掺杂金属离子化合物0.01-0.10mol。
所述的低熔点锂化合物包括硝酸锂、醋酸锂、丁基锂、氢氧化锂或氯化锂,亦或包括硝酸锂、醋酸锂、丁基锂、氢氧化锂和氯化锂的混合物或其中任意几种的混合物;所述的低熔点镍化合物包括硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍或氯化镍,亦或包括硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍和氯化镍的混合物或其中任意几种的混合物;所述的低熔点锰化合物选自硝酸锰、醋酸锰、硫酸锰和氯化锰的混合物或其中任意几种的混合物。
所述的低熔点掺杂金属离子化合物包括Ti4+、Co3+、La3+、Al3+或/和Mg2+离子化合物。
所述的低熔点掺杂金属离子化合物其:低熔点钛化合物包括三氯化钛或硫酸氧钛,低熔点钴化合物包括硝酸钴、醋酸钴或氯化钴,低熔点镧化合物包括硝酸镧或氯化镧,低熔点铝化合物包括硝酸铝或氯化铝,低熔点镁离子化合物包括硝酸镁或氯化镁。
其制备方法包括如下步骤:将相应配比的低熔点镍化合物、低熔点锰化合物和低熔点掺杂金属离子化合物进行充分混合后再加热至90-400℃,之后在熔融状态下再加入相应配比的低熔点锂化合物充分搅拌混合后,再进行升温预分解,预分解之后相继进行冷却、破碎并粉磨,之后将经粉磨的物料进行600℃-1000℃、0.5-12.0小时的高温处理。
还包括对所述高温处理后的物料用去离子水进行分散处理后、浸渍于浓度为5wt%-30wt%碳水化合物溶液中0.5-2.0小时后过滤,再以150℃-500℃的温度对该过滤后的滤渣物料进行热处理。
所述预分解和热处理时间分别为3.0 -7.0小时。
所述热处理是在空气环境下完成。
所述升温预分解的温度为400-600℃。
所述的碳水化合物溶液包括蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、柠檬酸、聚乙烯醇或羧甲基纤维素溶液。
本发明富锂锰基正极材料具有较高的电压和比容量。以本发明所制备的富锂锰基正极材料制作的锂离子电池充电截止电压高,可以达到4.6V,在2.5-4.6V之间充放电时,放电比容量可达到250mAh/g。并且在较低的充电电压下也能得到高的放电比容量,在2.5-4.3V之间充放电时放电比容量可达到165mAh/g,在2.5-4.2V之间充放电时放电比容量可达到157mAh/g。
本发明富锂锰基正极材料具有循环稳定性能。以本发明方法制备的富锂锰基正极材料制作的锂离子电池在通过4.6V化成,于2.75-4.2V之间以1C充放电时,初始放电比容量为140mAh/g,300次循环后容量保持率为97%,1600次循环后容量保持率为74%;在4.2V化成,2.75-4.2V循环,克容量为120mAh/g,循环2500次,容量保持率85%以上;倍率循环性能优良,6C放电比容量为0.5C的94%;高温循环稳定且比容量高,在2.75-4.2V,1C,55℃的条件下充放电时,初始放电比容量为160mAh/g,180次循环后容量保持率为92.2%。
本发明的富锂锰基正极材料具有良好的安全性能。以本发明所制备的富锂锰基正极材料制作的锂离子电池能通过外部短路、穿钉实验,能耐5C10V过充。
本发明的富锂锰基正极材料生产工艺简单,生产成本低。本发明的富锂锰基正极材料以锰为主,同时热处理温度低,热处理时间短,因此成本非常低,性价比优势很明显。
具体实施方式
以下通过实施例详细介绍本发明的内容,提供实施例是为了便于理解本发明,绝不是限制本发明。
本发明锂离子二次电池用的富锂锰基正极材料由低熔点锂化合物1.00-2.00mol,低熔点镍化合物0.05-0.40mol,低熔点锰化合物0.50-0.90mol和低熔点掺杂金属离子化合物0.01-0.10mol等组成。
其制备方法为:将相应配比的低熔点镍化合物、低熔点锰化合物和低熔点掺杂金属离子化合物进行充分混合后再加热至90-400°C,此时,混合的各化合物处于熔融状态下,然后在熔融状态下的混合化合物中加入相应配比的低熔点锂化合物、经充分混合后再进行升温预分解、冷却、破碎并粉磨,之后将经粉磨的物料进行600 -1000°C、0.5-12小时的高温处理,之后将该经高温处理的物料在去离子水中分散后浸渍于浓度为5wt%-30wt%碳水化合物溶液中0.5-2.0小时后过滤,再将该经过滤获得的滤渣于150-500°C温度进行热处理后,再经破碎、过筛获得所需的富锂锰基正极材料。
本发明的制备方法通过预分解处理以利于富锂锰基正极材料形成籽晶,促进后续高温处理过程中材料晶体生长,其预分解温度可控制在400°C-600°C;其粉磨后的物料高温处理的目的是使混合均匀后的各种物料(材料)能够充分分解和生长得到所需晶型结构的正极材料,高温处理的温度可控制在600°C-1000°C。
本发明制备方法中,其浸渍的目的是在样品表面包覆一层碳水化合物,经过热处理后得到活性碳,以提高富锂锰基正极材料的导电性能和快速充放电性能;其热处理是在空气环境下进行。
实施例1
准备硝酸锰(Mn(NO3)24H2O)0.55mol,六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.3mol,三氯化钛(TiCl3)0.02mol,置于刚玉坩埚中加热至105°C进行搅拌,待所有化合物熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.20mol,使硝酸锂熔解在已熔融化合物中,经充分搅拌均化后升高温度至500°C,保温4小时进行预分解,之后依次进行冷却、破碎、粉磨,然后将该粉磨的物料经860°C高温处理6小时后于去离子水中分散,之后浸渍于浓度为10wt%的蔗糖溶液中0.5小时,然后过滤,再将过滤得到的滤渣物料在400°C温度、自然空气气氛(环境)下保温6小时进行热处理,最后对其进行破碎(或粉碎)、过筛获得富锂锰基正极材料。
用该制备得到的富锂锰基正极材料制作成AA型电池,在2.5-4.6V、0.1C的充放电条件下,放电比容量为235mAh/g;在2.5-4.6V、5C的充放电条件下,放电比容量为183 mAh/g,且具有良好的循环性能。
实施例2
准备硝酸锰(Mn(NO3)24H2O)0.59mol,六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.19mol,九水合硝酸铝(Al(NO3)39H2O)0.02mol,置于刚玉坩埚中加热至110°C,搅拌,待所有化合物熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.20mol,使硝酸锂熔解在已熔融化合物中,充分搅拌均化后,升高温度至550°C保温4小时预分解后进行冷却、破碎、粉磨,然后将该粉磨后的物料经900°C温度高温处理5小时、再于去离子水中分散后浸渍于浓度为10wt%蔗糖溶液中0.5小时,然后过滤,再将过滤得到的滤渣物料在400°C温度、自然空气气氛(环境)下保温4小时进行热处理,最后对其进行破碎、过筛,即得到富锂锰基正极材料。
用该制备得到的富锂锰基正极材料制作AA型电池,在2.5-4.6V、0.1C的充放电条件下,放电比容量为245mAh/g;在其它电压区间进行充放电也表现出了较高的容量;在2.75-4.2V、1C的条件下进行充放电循环,初始放电比容量为141mAh/g,300次循环后容量保持率为97%,1600次循环后容量保持率为74%,倍率循环性能优良;在2.75-4.2V、1C、55℃的条件下充放电时,初始放电比容量为157mAh/g,180次循环后容量保持率为92.2%。
实施例3
硝酸锰(Mn(NO3)24H2O)0.57mol、六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.2mol和六水合硝酸镁(Mg(NO3)26H2O)0.1mol,置于刚玉坩埚中加热至100°C,搅拌,待三种化合物都熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.15mol,使硝酸锂熔解在熔融化合物中,充分搅拌均化后,升高温度至450°C保温6小时进行预分解后,再冷却,破碎,粉磨,然后将该经粉磨后的物料在860°C温度下高温处理5小时,将高温处理后的该物料在去离子水中分散后浸渍于浓度为10wt%蔗糖溶液中0.5小时,然后过滤,将滤渣在400°C热处理5小时,即得到富锂锰基正极材料。
将制备得到的富锂锰基正极材料组装成AA型电池,在2.5-4.6V、1C的充放电条件下放电比容量为205mAh/g。
实施例4
准备硝酸锰(Mn(NO3)24H2O)0.53mol,六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0. 3mol,六水合硝酸钴(Co(NO3)36H2O)0. 1mol,置于刚玉坩埚中加热至110°C,搅拌,待所有化合物熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1. 10mol,使硝酸锂熔解在熔融化合物中,充分搅拌均化后,升高温度至450°C保温4小时,预分解后,冷却,破碎,粉磨,然后将粉磨后的物料在900°C温度下高温处理6小时。将高温处理后物料在去离子水中分散后浸渍于浓度为10wt%蔗糖溶液中0.5小时,然后过滤,将滤渣在400°C热处理6小时,即得到富锂锰基正极材料。
将制备得到的富锂锰基正极材料组装成AA型电池,经4.6V化成后,在2.75-4.2V、1C的条件下充放电时放电比容量为167mAh/g。
实施例5
硝酸锰(Mn(NO3)2 4H2O)0.52mol,六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.40mol,六水合硝酸镧(La(NO3)36H2O)0.01mol,置于刚玉坩埚中加热至100°C,搅拌,待所有化合物熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.10mol,使硝酸锂熔解在熔融化合物中,充分搅拌均化后,升高温度至450°C保温5小时,预分解后,冷却,破碎,粉磨,然后将粉磨后的物料在900°C温度下高温处理6小时。将高温处理后物料在去离子水中分散后浸渍于浓度为10wt%蔗糖溶液中0.5小时,然后过滤,将滤渣在400°C热处理5小时,即得到富锂锰基正极材料。
将制备得到的富锂锰基正极材料组装成AA型电池,经4.6V化成后,在2.75-4.2V、1C的条件下充放电时放电比容量为159mAh/g。
实施例6
硝酸锰(Mn(NO3)24H2O)0.62mol份,六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.09mol份,九水合硝酸铝(Al(NO3)39H2O)0.02mol份,置于刚玉坩埚中加热至110°C,搅拌,待所有化合物熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.30mol份,其余方法和/或步骤等可与实施例2类同。
实施例7
硝酸锰(Mn(NO3)24H2O)0.80mol份、六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.05mol份和六水合硝酸镁(Mg(NO3)26H2O)0.01mol份,置于刚玉坩埚中加热至100°C,搅拌,待三种化合物都熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.80mol份,其余与上述实施例3类同。
实施例8
硝酸锰(Mn(NO3)2 4H2O)0.59mol份,六水合硝酸镍(Ni(NO3)26H2O) 0.22mol份,六水合硝酸镧(La(NO3)36H2O)0.01mol份,置于刚玉坩埚中加热至100°C,搅拌,待所有化合物熔融后加入硝酸锂(LiNO3)1.20mol份,其余与上述实施例5同。
本发明中所用的术语定义如下:
低熔点镍化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含镍化合物,优选硝酸镍,熔点为56.7°C,在加热条件下能够熔化为液态,提供反应所需要的液相,同时提供自由移动的镍离子。
低熔点锰化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含锰化合物,优选硝酸锰,熔点为25.8°C,在加热条件下能够熔化为液态,提供反应所需要的液相,同时提供自由移动的锰离子。
低熔点锂化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含锂化合物,优选硝酸锂和氢氧化锂混合盐,在加热条件下能够熔化为液态,提供自由移动的锂离子。
低熔点钛化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含钛化合物,提供掺杂钛离子,稳定所得正极材料的结构,提高材料的循环性能。
低熔点钴化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含钴化合物,提供掺杂钴离子,用来提高所得正极材料的电化学活性。
低熔点镧化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含镧化合物,提供掺杂镧离子,用来稳定所得正极材料的结构,提高材料的耐高温性能。
低熔点铝化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含铝化合物,提供掺杂铝离子,用来稳定所得正极材料的结构,提高材料的循环性能。
低熔点镁化合物:是指具有较低熔点,在600-1000℃高温下能够分解的含镁化合物,提供掺杂镁离子,用来稳定所得正极材料的结构,提高材料的循环性能。
本发明中的化合物加热后的混合或搅拌混合是低熔点盐加热熔融基础上的混合,在熔融状态下,各离子能够达到离子级均匀混合,使制备的材料成分均一;其混合或搅拌混合的温度在90°C-400°C,低于90°C,化合物熔融不充分,高于400°C,会造成化合物的分解,使混合不均匀。
上述实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例,凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案,均落在本发明要求保护的范围之内;应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种富锂锰基正极材料,其特征在于包括以下摩尔组分:低熔点锂化合物1.00-2.00mol,低熔点镍化合物0.05-0.40mol,低熔点锰化合物0.50-0.90mol,低熔点掺杂金属离子化合物0.01-0.10mol。
2.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料,其特征在于所述的低熔点锂化合物包括硝酸锂、醋酸锂、丁基锂、氢氧化锂或氯化锂,亦或包括硝酸锂、醋酸锂、丁基锂、氢氧化锂和氯化锂的混合物或其中任意几种的混合物;所述的低熔点镍化合物包括硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍或氯化镍,亦或包括硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍和氯化镍的混合物或其中任意几种的混合物;所述的低熔点锰化合物选自硝酸锰、醋酸锰、硫酸锰和氯化锰的混合物或其中任意几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料,其特征在于所述的低熔点掺杂金属离子化合物包括Ti4+、Co3+、La3+、Al3+或/和Mg2+离子化合物。
4.根据权利要求1或3所述的富锂锰基正极材料,其特征在于所述的低熔点掺杂金属离子化合物其:低熔点钛化合物包括三氯化钛或硫酸氧钛,低熔点钴化合物包括硝酸钴、醋酸钴或氯化钴,低熔点镧化合物包括硝酸镧或氯化镧,低熔点铝化合物包括硝酸铝或氯化铝,低熔点镁离子化合物包括硝酸镁或氯化镁。
5.一种富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤:将相应配比的低熔点镍化合物、低熔点锰化合物和低熔点掺杂金属离子化合物进行充分混合后再加热至90-400℃,之后在熔融状态下再加入相应配比的低熔点锂化合物充分搅拌混合后,再进行升温预分解,预分解之后相继进行冷却、破碎并粉磨,之后将经粉磨的物料进行600℃-1000℃、0.5-12.0小时的高温处理。
6.根据权利要求5所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于还包括对所述高温处理后的物料用去离子水进行分散处理后、浸渍于浓度为5wt%-30wt%碳水化合物溶液中0.5-2.0小时后过滤,再以150℃-500℃的温度对该过滤后的滤渣物料进行热处理。
7.根据权利要求6所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征是在于所述预分解和热处理时间分别为3.0 -7.0小时。
8.根据权利要求6或7所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于所述热处理是在空气环境下完成。
9.根据权利要求5所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于所述升温预分解的温度为400-600℃。
10.根据权利要求5所述的富锂锰基正极材料的制备方法,其特征在于所述的碳水化合物溶液包括蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、柠檬酸、聚乙烯醇或羧甲基纤维素溶液。
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