CN103545519A - 一种碳包覆富锂正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳包覆富锂正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，公开了一种碳包覆富锂正极材料及其制备方法。表面包覆的富锂材料包括主相Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2(0＜a＜1/3)及包覆碳层。本材料的制备方法包括制备富锂材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2(0＜a＜1/3)的中间相步骤、将富锂中间相与碳源均匀混合步骤、快速高温热处理步骤。本发明所制备的锂离子电池正极材料极大的改善了材料在高倍率下的充放电性能，能满足高功率发展需求。且原材料成本低，工艺简单，性价比较高，适用于工业化生产。

Description

一种碳包覆富锂正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于能源材料技术领域，特别涉及一种碳包覆的富锂锂离子电池正极材料及其制备方法。 
背景技术
锂离子电池已在人们的日常生活中得到了广泛的应用，尤其是在手机电池、笔记本电池、移动电源等便携式电子产品的大量应用。目前，世界各国也在加大投资研究锂离子电池在电动汽车、航空航天等技术领域的应用。随着新能源汽车政策在全球的推行，未来锂离子电池在电动汽车以及电网蓄能等方面的需求可能呈现爆发式增长。这对构成锂离子电池的各个组成部分提出了更高的要求，研究开发高功率、高倍率的锂离子电池电极材料已成为锂离子电池技术的发展趋势。 
正极材料是锂离子电池的重要组成部分，与负极材料相比，正极材料在实际工作中所能达到的容量还比较低，因此正极材料也是限制锂离子电池发展的瓶颈。目前已经应用的正极材料主要有层状结构的LiCoO2和三元材料、尖晶石结构的LiMn2O4以及橄榄石结构的LiFePO4。但这些正极材料的实际比容量均比较低，一般都在200mAh/g以下。富锂正极材料因其具有较高的实际比容量，并且能在较高电压(4.8V)下工作而受到广泛关注。含有Ni、Mn的二元富锂正极材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2具有生产成本低，对环境友好等优点，适用于大规模工业化生产。Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2正极材料是由层状Li2MnO3与LiNi1/2Mn1/2O2形成的固溶体。在首次充放电的过程中，当充电电压较低时，Li2MnO3没有电化学活性，Li不会脱出，Li2MnO3可以起到稳定整个材料结构的作用；当充电电压较高时，Li2MnO3中的Li离子可以脱出，提供一部分容量。因此，富锂材料在充电至高电压时可达到250mAh/g以上的容量。但富锂材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2的倍率性能较差，这严重阻碍了这一材料在高倍率要求方面的应用。研究能够改善富锂Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2的高倍率性能且易于大规模工业化生产的方法已成为此材料发展的迫切需求。 
碳包覆既可以提高正极材料中电子及离子的传导，又可防止纳米颗粒团聚长大，多用于改善LiFePO4及Li3V2(PO4)3等正极材料。而富锂型正极材料未见采用碳包覆来改善倍率性能的相关报道，这可能是由于传统的制备方法碳的加入会导致过渡金属无法氧化至高价态。本发明采用将过渡金属Mn在制备富锂中间相的步骤中进行氧化，并缩短烧结的升温及保温时间，以达到预期效果。 
发明内容
本发明的目的是提供一种高倍率性能的碳包覆富锂正极材料及其制备方法，该方法易于操作，成本低廉，且对环境友好，适用于大规模工业化生产。 
本发明的技术方案是：一种表面包覆有碳的富锂正极材料，所述的正极材料为富锂材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2表面包覆碳，其组分以质量分数计：碳所质量分数为0.5～15%，富锂材料所占质量分数为85～99.5%。 
本发明的另一目的是上述碳包覆富锂正极材料的制备方法，具体制备过程如下： 
(1)制备富锂材料中间相步骤：按照Ni、Mn摩尔比为(1/2-3a/2)：(1/2+a/2)称取一定量的镍盐、锰盐与乙醇去离子水溶液配制成金属盐溶液，金属盐溶液中金属盐浓度为0.1～2mol/L，乙醇与去离子水的体积比为3：1；配制浓度为0.1～1mol/L的氨水溶液；将配制好的氨水滴加到金属盐溶液中，调节pH值至10.5～12；向加入氨水后的金属盐溶液中加入质量分数为30%的双氧水，使2价Mn充分氧化；按照Li：(Ni+Mn)摩尔比为1.05(1+a):(1-a)称取锂盐，将锂盐加入到经双氧水氧化后的金属盐溶液中，使其混合均匀后80°C水浴搅拌，至液体全部挥发，进一步烘干，研磨；将研磨后的粉末在空气气氛下450～700°C保温4～8h，得到富锂材料中间相； 
(2)富锂中间相与碳源混合步骤：将步骤(1)中制备的富锂中间相加入到溶有碳源的溶液中，碳源浓度为0.05～0.2mol/L，超声10～60min充分混合均匀，干燥； 
(3)高温热处理步骤：将步骤(2)中制备的包覆有碳源的富锂正极材料在氮气炉中高温热处理，热处理温度为700～900°C，升温速率为8～15°C/min，保温时间5～30min，快速冷却至室温，即得到包覆有碳的富锂材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2正极材料。 
进一步，所述镍盐包括乙酸镍、硝酸镍、甲酸镍、草酸镍中的一种或多种混合盐。 
进一步，所述锰盐包括乙酸锰、硝酸锰、甲酸锰、柠檬酸锰中的一种或多种混合盐。 
进一步，所述锂盐包括氢氧化锂、乙酸锂、硝酸锂、碳酸锂中的一种或多种混合盐。 
进一步，步骤（2）所述碳源包括蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、果糖、硬脂酸、月桂酸中的一种或多种混合碳源。 
进一步，步骤（2）所述溶液为去离子水、超临界水、工业酒精、无水乙醇或丙酮中的一种或多种混合溶液。 
本发明的优点是：本发明得到的碳包覆富锂正极材料具有良好的充放电循环性能，倍率 性能。通过碳包覆的富锂正极材料颗粒尺寸小、粒径分布均一、团聚程度低。原料成本低廉，合成过程操作简单、生产成本低、易于控制、对环境友好，便于大规模工业化生产。 
附图说明
图1本发明实施例1所制备的碳包覆富锂正极材料的XRD图。 
图2本发明实施例1所制备的碳包覆富锂正极材料的首次充放电曲线图(2.0～4.8V，30mA/g，室温)。 
图3本发明实施例2所制备的碳包覆富锂正极材料的循环性能图(2.0～4.8V，30mA/g，室温)。 
图4本发明实施例3所制备的碳包覆富锂正极材料不同倍率下的放电比容量图(2.0～4.8V，室温)。 
具体实施方式
以下是本发明内容的详细介绍，实施例只是为了帮助理解本发明内容。本发明要求的保护范围并不仅仅局限于实例表述范围。 
实施例1： 
按Ni：Mn摩尔比为3:7称取3.74g Ni(CH3COO)2·4H2O和8.58g Mn(CH3COO)2·4H2O溶于100mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌2h使其充分溶解。配制浓度为0.5mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至11。取7.02mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.47：1的摩尔比称取7.50gCH3COOLi·2H2O，将乙酸锂加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥20h，将干燥后的固体研磨成粉末，在450°C空气气氛保温4h，得到富锂中间相。 
称取3g上述富锂材料中间相，溶于15mL的去离子水中，超声分散10min；称取0.37g蔗糖，溶解在上述悬浊液中，超声分散30min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以10°C/min的升温速率升温至700°C，在此温度保温25min，以10°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数5%的富锂Li[Li1/6Ni1/4Mn7/12]O2/C正极材料。 
将得到的碳包覆富锂正极材料与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)的N甲基吡咯烷酮(NMP)溶液按80:15:5混合配制成均匀的浆料，并将其涂覆于铝箔上，在80℃下真空干燥10小 时后压成直径为14mm的圆片，组装成2032型纽扣电池。其中，金属锂为对电极，电解液为1摩尔的LiPF6溶于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)(1:1:1v/v)，隔膜为Celgard2400。充放电截止电压为2.0-4.8V，室温(25°C)测试。 
对制备的材料进行场发射扫描电镜表征(图1)，所合成的样品为50～100nm的纳米片，颗粒大小均匀；X射线衍射测试(图2)表明所制备的材料与富锂材料的结构基本一致，碳包覆并未改变材料的主结构；采用0.1C(30mA/g)的电流密度对材料进行充放电测试(图3)，首次充电容量为299.6mAh/g，放电容量为261.9mAh/g首次库仑效率为87.4% 
实施例2： 
按Ni：Mn摩尔比为2:6称取4.98g Ni(CH3COO)2·4H2O和15.00g Mn(NO3)2·4H2O溶于80mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌2h使其充分溶解。配制浓度为0.8mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至10.5。取12.04mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.58：1的摩尔比称取12.89gCH3COOLi·2H2O，将乙酸锂加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥26h，将干燥后的固体研磨成粉末，在450°C空气气氛保温5h，得到富锂中间相。 
称取4g上述富锂材料中间相，溶于20mL的乙醇中，超声分散15min；称取0.39g硬脂酸，溶解在上述悬浊液中，超声分散40min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以8°C/min的升温速率升温至720°C，在此温度保温22min，以10°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数7%的Li[Li1/5Ni1/5Mn3/5]O2/C正极材料。 
采用0.1C(30mA/g)的电流密度对材料进行充放电测试(图4),电压范围为2.0～4.8V，其首次放电比容量为286mAh/g，40次循环的容量保持率为93.01% 
实施例3： 
按Ni：Mn摩尔比为5:9称取6.21g Ni(NO3)2·6H2O和9.64g Mn(NO3)2·4H2O溶于100mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌2h使其充分溶解。配制浓度为0.6mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至10.5。取7.73mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.35：1的摩尔比称取3.40g LiOH·H2O，将 LiOH·H2O加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥24h，将干燥后的固体研磨成粉末，将此粉末在450°C空气气氛保温6h，得到富锂中间相。 
称取3.5g上述富锂材料中间相，溶于15mL的去离子水中，超声分散20min；称取0.55g葡萄糖，溶解在上述悬浊液中，超声分散40min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以11°C/min的升温速率升温至730°C，在此温度保温20min，以12°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数6%的Li[Li1/8Ni5/16Mn9/16]O2/C正极材料。 
碳包覆量为6%的富锂Li[Li1/8Ni5/16Mn9/16]O2正极材料在0.1C(30mA/g)、0.2C(60mA/g)、0.5C(150mA/g)、1C(300mA/g)、2C(600mA/g)、5C(1500mA/g)电流密度测试时，其放电比容量分别为：244mAh/g、229mAh/g、203mAh/g、183mAh/g、156mAh/g、117mAh/g。 
实施例4： 
按Ni：Mn摩尔比为2:4称取10.18g Ni(NO3)2·6H2O和17.15g Mn(CH3COO)2·4H2O溶于140mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌2h使其充分溶解。配制浓度为0.75mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至10.5。取14.04mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.35：1的摩尔比称取6.25g LiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥28h，将干燥后的固体研磨成粉末，将此粉末在450°C空气气氛保温5h，得到富锂中间相。 
称取3g上述富锂材料中间相，溶于13mL的去离子水中，超声分散22min；称取0.70g蔗糖，溶解在上述悬浊液中，超声分散45min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以15°C/min的升温速率升温至750°C，在此温度保温18min，以12°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数9%的Li[Li1/7Ni2/7Mn4/7]O2/C正极材料。 
实施例5： 
按Ni：Mn摩尔比为1:5称取1.85g Ni(HCOO)2·2H2O和12.50g Mn(NO3)2·4H2O溶于150mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌2h使其充分溶解。配制浓度为0.85mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至11。取10.03mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.75：1的摩尔比称取3.87g Li2CO3，将Li2CO3加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥28h，将干燥后的固体研磨成粉末，将此粉末在450°C空气气氛保温6h，得到富锂中间相。 
称取3.8g上述富锂材料中间相，溶于15mL的去离子水中，超声分散28min；称取1.13g柠檬酸，溶解在上述悬浊液中，超声分散42min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以15°C/min的升温速率升温至800°C，在此温度保温10min，以10°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数10%的Li[Li1/4Ni1/8Mn5/8]O2/C正极材料。 
实施例6： 
按Ni：Mn摩尔比为2:4称取5.92g Ni(HCOO)2·2H2O和16.00g Mn(CH3COO)2·4H2O溶于120mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌1h使其充分溶解。配制浓度为0.65mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至11。取12.83mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.40：1的摩尔比称取5.64gLiOH·H2O，将LiOH·H2O加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥23h，将干燥后的固体研磨成粉末，将此粉末在450°C空气气氛保温6h，得到富锂中间相。 
称取2.5g上述富锂材料中间相，溶于15mL的甲醇中，超声分散25min；称取0.30g月桂酸，溶解在上述悬浊液中，超声分散45min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以14°C/min的升温速率升温至780°C，在此温度保温16min，以10°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数8%的Li[Li1/7Ni2/7Mn4/7]O2/C正极材料。 
实施例7： 
按Ni：Mn摩尔比为2:6称取2.85g Ni(CH3COO)2·4H2O和8.15g Mn(HCOO)2·2H2O溶于150mL的乙醇去离子水溶液中(乙醇与去离子水的体积比为3：1)，常温磁力搅拌2h使其充分溶解。配制浓度为0.85mol/L的氨水，将氨水滴加至金属盐溶液中，调节其pH值至11.5。取9.03mL双氧水滴加至上述溶液中。按Li：(Ni+Mn)为1.58：1的摩尔比称取10.15gCH3COOLi·2H2O，将乙酸锂加入到配制好的镍锰金属盐溶液中。将上述配制好的溶液置于80°C的水浴锅中，磁力搅拌直至液体全部消失，放入80°C干燥箱干燥26h，将干燥后的固体研磨成粉末，在450°C空气气氛保温7h，得到富锂中间相。 
称取4g上述富锂材料中间相，溶于20mL的乙醇中，超声分散30min；称取1.28g柠檬酸，溶解在上述悬浊液中，超声分散50min，置于80°C烘箱干燥，待水分蒸干，研磨均匀便得到了包覆有碳源的材料。 
将上述包覆碳源的固体在氮气气氛下，以10°C/min的升温速率升温至750°C，在此温度保温16min，以10°C/min的降温速率降至室温即得到了包覆碳质量分数12%的Li[Li1/5Ni1/5Mn3/5]O2/C正极材料。 

Claims (7)

1.一种碳包覆富锂正极材料，其特征在于，所述的正极材料为富锂材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2表面包覆碳，其组分以质量分数计：碳占0.5～15%，富锂材料占85～99.5%。 
2.根据权利要求1所述的碳包覆富锂正极材料的制备方法，其特征在于包括如下过程： 
(1)制备富锂材料中间相步骤：按照Ni、Mn摩尔比为(1/2-3a/2)：(1/2+a/2)称取一定量的镍盐、锰盐与乙醇去离子水溶液配制成金属盐溶液，金属盐溶液中金属盐浓度为0.1～2mol/L，乙醇与去离子水的体积比为3：1；配制浓度为0.1～1mol/L的氨水溶液；将配制好的氨水滴加到金属盐溶液中，调节pH值至10.5～12；向加有氨水的金属盐溶液中加入质量分数为30%的双氧水，使2价Mn充分氧化；按照Li：(Ni+Mn)摩尔比为1.05(1+a):(1-a)称取锂盐，将锂盐加入到经双氧水氧化后的金属盐溶液中，使其混合均匀后80°C水浴搅拌，至液体全部挥发，进一步烘干，研磨；将研磨后的粉末在空气气氛下450～700°C保温4～8h，得到富锂材料中间相； 
(2)富锂中间相与碳源混合步骤：将步骤(1)中制备的富锂中间相加入到溶有碳源的溶液中，碳源浓度为0.05～0.2mol/L，超声10～60min充分混合均匀，干燥； 
(3)高温热处理步骤：将步骤(2)中制备的包覆有碳源的富锂正极材料在氮气炉中高温热处理，热处理温度为700～900°C，升温速率为8～15°C/min，保温时间5～30min，快速冷却至室温，即得到包覆有碳的富锂材料Li[LiaNi1/2-3a/2Mn1/2+a/2]O2正极材料。 
3.根据权利要求2所述的碳包覆富锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述镍盐包括乙酸镍、硝酸镍、甲酸镍、草酸镍中的一种或多种混合盐。 
4.根据权利要求2所述的碳包覆富锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述锰盐包括乙酸锰、硝酸锰、甲酸锰、柠檬酸锰中的一种或多种混合盐。 
5.根据权利要求2所述的碳包覆富锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述锂盐包括氢氧化锂、乙酸锂、硝酸锂、碳酸锂中的一种或多种混合盐。 
6.根据权利要求2所述的碳包覆富锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述碳源包括蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、果糖、硬脂酸、月桂酸中的一种或多种混合碳源。 
7.根据权利要求2所述的碳包覆富锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述溶液包括去离子水、超临界水、工业酒精、无水乙醇、甲醇或丙酮中的一种或多种混合溶液。 
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