CN103553152A - 高密度球形镍钴铝前驱体材料及其制备方法 - Google Patents

高密度球形镍钴铝前驱体材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高密度球形镍钴铝前驱体材料，镍钴铝前驱体材料的化学分子式为Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y，其振实密度为1.8～2.4g/cm3，该材料呈球形颗粒状，且平均粒度为6～17μm。本发明还公开了该前驱体材料的制备方法，包括以下步骤：先将铝盐与络合剂混合均匀，再将镍盐和钴盐溶液混合均匀，将前述混合液、络合剂及沉淀剂溶液并流加入到反应器中进行连续式的共沉淀反应，反应过程中pH值控制在11～12，物料在反应器中停留时间不超过20h，稳定反应后进行固液分离，固体物料经陈化、洗涤、烘干后，得到高密度球形镍钴铝前驱体材料。本发明的产品中铝元素能均匀地与镍、钴元素结合，且振实密度更高。

Description

高密度球形镍钴铝前驱体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料用前驱体材料及其制备方法，尤其涉及一种锂离子电池中镍钴铝正极材料用前驱体材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池已广泛应用于各种移动式电子产品（如手机、相机、笔记本电脑等），并且将越来越多地应用于电动汽车等领域。为适应这些应用领域日益发展的需要，对容量更大、重量更轻、尺寸更小的锂离子二次电池的需求量不断增大，因此，对锂离子电池正极材料的比容量性能提出了越来越高的要求。
在可以应用于锂离子电池的高比容量的正极材料中，高镍系的正极材料一直是世界各国的研究热点。其中，以LiNiO2为基础再掺杂Co元素体系的正极材料，既具有LiNiO2材料较高的放电比容量，同时该正极材料的晶体层状结构又更稳定，材料的循环稳定性也更好。但是，这种正极材料存在着耐过充能力差、热稳定性较差、首次放电不可逆容量较高等缺陷。为解决上述存在的问题，使镍钴材料能尽快应用于商业化领域，国内外学者在此基础上又进行了大量的掺杂试验。其中，铝元素的掺杂可以稳定镍钴材料的晶体结构，增加锂离子的扩散系数，明显抑制充放电过程中的放热反应，使得掺杂铝的镍钴材料的循环性能和耐过充性能都得到了明显提高，因此，现今出现了一种能应用于锂离子电池的新型正极材料——镍钴铝正极材料（NCA）。
在镍钴铝正极材料的生产过程中，对于如何使用铝原料、镍原料和钴原料，人们有多种方式可供选择，但普遍认为，采用Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y前驱体材料作为原料来生产制备镍钴铝正极材料NCA的性能最优。因此，人们不断研究如何制备出优良的Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y前驱体材料。
在化学共沉淀法合成制备Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y前驱体材料的过程中，由于铝离子为+3价，其难以与镍和钴等+2价离子元素形成均匀的单一层状结构，这使得在前驱体材料中铝元素很难形成均匀分布的状态，这将造成使用该原材料制备出的镍钴铝正极材料的电性能指标不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种铝元素能均匀地与镍、钴元素结合、且振实密度更高的锂离子电池正极材料用球形镍钴铝前驱体材料，还提供一种工艺流程简单、自动化程度高、可实现连续化生产、产能较高、产品品质稳定优异的高密度球形镍钴铝前驱体材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种高密度球形镍钴铝前驱体材料，所述镍钴铝前驱体材料的化学分子式为Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y，即该化学分子式中Ni、Co、Al和(OH)的原子摩尔比为（1-x-y）∶x∶y∶（2+y），其中0.1≤x≤0.3，0.03≤y≤0.15；所述镍钴铝前驱体材料的振实密度为1.8g/cm3～2.4g/cm3，所述镍钴铝前驱体材料呈球形颗粒状，且平均粒度为6μm～17μm；所述镍钴铝前驱体材料在微观上具有层状结构。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的高密度球形镍钴铝前驱体材料的制备方法，包括以下步骤：
先将铝盐溶液单独与络合剂混合均匀得混合液A，再将镍盐溶液和钴盐溶液混合均匀得混合液B，将混合液A、混合液B、络合剂溶液及沉淀剂溶液一起并流加入到一装有底液的反应器中进行连续式的共沉淀反应，反应过程中的pH值控制在11.0～12.0，物料在反应器中的停留时间不超过20小时（共沉淀反应过程为连续反应，物料在反应器中停留时间不超过20小时，优选的停留时间为10～18小时，反应时间明显缩短是本发明技术方案的一大特点），稳定反应后对从反应器中连续溢出的浆料进行固液分离，固体物料经陈化反应、洗涤、烘干后，得到锂离子电池正极材料用的高密度球形镍钴铝前驱体材料。
上述的制备方法中，优选的，所述铝盐溶液为铝元素对应的硫酸盐水溶液、氯化盐水溶液或硝酸盐水溶液；所述镍盐溶液为镍元素对应的硫酸盐水溶液、氯化盐水溶液或硝酸盐水溶液，所述钴盐溶液为钴元素对应的硫酸盐水溶液、氯化盐水溶液或硝酸盐水溶液。
上述的制备方法中，优选的，所述沉淀剂溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
上述的制备方法中，优选的，所述混合液A中以铝计的离子浓度为2g/L～10g/L，所述混合液B中镍和钴的总金属离子的浓度为80g/L～120g/L。
上述的制备方法中，优选的，所述混合液A中的络合剂选自氨水、柠檬酸、草酸、水杨酸、磺基水杨酸、乙二胺四乙酸、氢氧化钠中的一种或两种，且混合液A中铝盐与络合剂的摩尔比为1：0.05～4.0。
上述的制备方法中，优选的，所述反应器中的底液为氢氧化钠和氨水的混合溶液。
上述的制备方法中，优选的，所述底液的初始pH值控制在11.0～12.0，所述底液的初始温度为30℃～60℃，且底液中氨水的初始浓度控制在17g/L～30g/L。
上述的制备方法中，优选的，所述共沉淀反应过程中，反应器的转速控制在100r/min～180r/min，反应过程中反应体系的温度控制在30℃～60℃，反应体系中氨水的浓度控制为14g/L～30g/L，反应体系中固体物质的总量控制为100g/L～220g/L。
上述的制备方法中，优选的，所述的陈化反应中，采用5wt%～15wt%的碱液（优选氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液）对固体物料进行陈化处理，陈化反应温度为30℃～70℃，陈化反应时间为30min～80 min。
上述的制备方法中，优选的，经过陈化反应后的反应物料是在常温下采用去离子水进行洗涤，且洗涤至pH值为8.0～10.0，洗涤后的烘干是在100℃～160℃温度下进行处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用连续方式进行共沉淀反应，工艺流程简单，反应前通过先将铝盐与络合剂络合，防止铝进入反应体系后马上单独成核，有效控制了铝元素与镍、钴元素的共沉淀反应过程，从而使镍钴铝能够均匀地进行共沉淀反应，制备出品质稳定的球形镍钴铝前驱体材料。本发明中物料在反应器中停留时间较短，大大提高了该产品的产能，反应前通过先将铝盐与络合剂络合，再通过对氨水浓度及pH值的合理管控，可以保证在均匀共沉淀的前提下反应器的产能得到明显提高。
总体而言，本发明与现有的干法或其它湿法工艺相比，本发明可以使铝元素和镍、钴元素形成均匀地共沉淀，使铝元素在制得的Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y前驱体材料中分布更均匀，前驱体材料的密度最高可达2.4g/cm3；本发明的制备方法不仅工艺流程简单、自动化程度高，而且可实现连续化生产，产能较高，产品品质稳定、优异。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的球形镍钴铝前驱体材料中铝的电子探针显微分析分布图。
图2为本发明实施例1制备得到的球形镍钴铝前驱体材料的扫描电镜图。
图3为本发明实施例2制备得到的球形镍钴铝前驱体材料中铝的电子探针显微分析分布图。
图4为本发明实施例2制备得到的球形镍钴铝前驱体材料的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种如图1所示的高密度球形镍钴铝前驱体材料，该镍钴铝前驱体材料的化学分子式为Ni0.815Co0.15Al0.035(OH)2+0.035，即该化学分子式中Ni、Co、Al和(OH)的原子摩尔比为0.815∶0.15∶0.035∶2.035；该镍钴铝前驱体材料的振实密度为2.25g/cm3，该镍钴铝前驱体材料呈球形颗粒状，且D50粒度为11.5μm（参见图2）。
本实施例的高密度球形镍钴铝前驱体材料的制备方法包括以下步骤：
1. 将硝酸铝溶液与络合剂氢氧化钠按1：3.0的摩尔比混合均匀，配制成以铝计离子浓度为2.5g/L的混合液A；再将硫酸镍和硫酸钴分别用水溶解后混合配制成金属离子浓度为85g/L的混合液B，其中镍、钴金属离子的摩尔比为5.43:1.0；
2. 在反应器中加入纯净水，再添加氢氧化钠溶液调节pH值至11.6，同时添加氨水调节氨水浓度至25g/L，得到反应底液，控制底液的初始温度在55℃～60℃；
3. 将步骤1中配制的混合液A、混合液B、氨水（20%）和氢氧化钠溶液（30%）通过计量泵同时加入到步骤2的反应器中进行连续式共沉淀反应，反应器内含有步骤2所述初始条件、且一直处于搅拌状态的底液；
4. 在共沉淀反应过程中，控制反应条件为：反应器转速控制在140r/min，体系温度控制在55℃～60℃，氨水的浓度为25g/L，反应物料的固体总量控制在200g/L～220g/L之间，pH值控制在11.6～11.9；
5. 整个共沉淀过程为连续反应，反应物料由反应器的上部溢流口连续流出，物料在反应器中的停留时间为15h～17h，流出的浆料经过过滤，固体物料采用10wt%的碱液在55℃～60℃下陈化反应45min～60min，再采用常温下的去离子水洗涤至pH值8.5，最后，再在120℃温度下进行烘干，得到高密度球形镍钴铝前驱体材料。
本实施例制得的镍钴铝前驱体材料如图1和图2所示，其振实密度为2.25g/cm3，D50为11.5μm（参见图2），比表面积为16.54m2/g（采用连续流动氮气吸附法测得）。由图1可见，本实施例中铝元素和镍、钴元素形成均匀地共沉淀，使铝元素在制得的镍钴铝前驱体材料中分布更均匀。
实施例2：
一种本发明的高密度球形镍钴铝前驱体材料，该镍钴铝前驱体材料的化学分子式为Ni0.75Co0.15Al0.10(OH)2.10，即该化学分子式中Ni、Co、Al和(OH)的原子摩尔比为0.75∶0.15∶0.10∶2.10；该镍钴铝前驱体材料的振实密度为1.90g/cm3，该镍钴铝前驱体材料呈球形颗粒状，且D50粒度为10.9μm（参见图4）。
本实施例的高密度球形镍钴铝前驱体材料的制备方法包括以下步骤：
1. 将硝酸铝溶液与络合剂乙二胺四乙酸按1:0.25的摩尔比混合均匀，配制成以铝计离子浓度为9g/L的混合液A；再将硫酸镍和硫酸钴分别用水溶解后混合配制成金属离子浓度为110g/L的混合液B，其中镍、钴金属离子的摩尔比为5.0:1.0；
2. 在反应器中加入纯净水，再添加氢氧化钠溶液调节pH值至11.2，同时添加氨水调节氨水浓度至25g/L，得到反应底液，控制底液的初始温度在50℃～55℃；
3. 将步骤1中配制的混合液A、混合液B、氨水（20%）和氢氧化钠溶液（30%）通过计量泵同时加入到步骤2的反应器中进行连续式共沉淀反应，反应器内含有步骤2所述初始条件、且一直处于搅拌状态的底液；
4. 在共沉淀反应过程中，控制反应条件为：反应器转速控制在140r/min，体系温度控制在50℃～55℃，氨水的浓度为25g/L，反应物料的固体总量控制在140g/L～160g/L之间，pH值控制在11.2～11.5；
5. 整个共沉淀过程为连续反应，反应物料由反应器的上部溢流口连续流出，物料在反应器中的停留时间为10.5h～12.5h，固体物料采用7wt%的碱液在35℃～40℃下陈化反应45min～60min，再采用常温下的去离子水洗涤至pH值8.5，最后，再在120℃温度下进行烘干，得到高密度球形镍钴铝前驱体材料。
本实施例制得的镍钴铝前驱体材料的振实密度为1.90g/cm3，D50为10.9μm，比表面积为23.68m2/g（采用连续流动氮气吸附法测得）。由图3可见，本实施例中铝元素和镍、钴元素形成均匀地共沉淀，使铝元素在制得的镍钴铝前驱体材料中分布更均匀。 

Claims (10)

1.一种高密度球形镍钴铝前驱体材料，其特征在于：所述镍钴铝前驱体材料的化学分子式为Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y，即该化学分子式中Ni、Co、Al和(OH)的原子摩尔比为（1-x-y）∶x∶y∶（2+y），其中0.1≤x≤0.3，0.03≤y≤0.15；所述镍钴铝前驱体材料的振实密度为1.8g/cm3～2.4g/cm3，所述镍钴铝前驱体材料呈球形颗粒状，且平均粒度为6μm～17μm。
2.一种如权利要求1所述的高密度球形镍钴铝前驱体材料的制备方法，包括以下步骤：
先将铝盐溶液单独与络合剂混合均匀得混合液A，再将镍盐溶液和钴盐溶液混合均匀得混合液B，将混合液A、混合液B、络合剂溶液及沉淀剂溶液一起并流加入到一装有底液的反应器中进行连续式的共沉淀反应，反应过程中的pH值控制在11.0～12.0，物料在反应器中的停留时间不超过20小时，稳定反应后对从反应器中连续溢出的浆料进行固液分离,固体物料经陈化反应、洗涤、烘干后，得到锂离子电池正极材料用的高密度球形镍钴铝前驱体材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述铝盐溶液为铝元素对应的硫酸盐水溶液、氯化盐水溶液或硝酸盐水溶液；所述镍盐溶液为镍元素对应的硫酸盐水溶液、氯化盐水溶液或硝酸盐水溶液，所述钴盐溶液为钴元素对应的硫酸盐水溶液、氯化盐水溶液或硝酸盐水溶液。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述混合液A中以铝计的离子浓度为2g/L～10g/L，所述混合液B中镍和钴的总金属离子的浓度为80g/L～120g/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述混合液A中的络合剂选自氨水、柠檬酸、草酸、水杨酸、磺基水杨酸、乙二胺四乙酸、氢氧化钠中的一种或两种，且混合液A中铝盐与络合剂的摩尔比为1：0.05～4.0。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述反应器中的底液为氢氧化钠和氨水的混合溶液；所述沉淀剂溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述底液的初始pH值控制在11.0～12.0，所述底液的初始温度为30℃～60℃，且底液中氨水的初始浓度控制在17g/L～30g/L。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述共沉淀反应过程中，反应器的转速控制在100r/min～180r/min，反应过程中反应体系的温度控制在30℃～60℃，反应体系中氨水的浓度控制为14g/L～30g/L，反应体系中固体物质的总量控制为100g/L～220g/L。
9.根据权利要求2～8中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述的陈化反应中，采用5wt%～15wt%的碱液对固体物料进行陈化处理，陈化反应温度为30℃～70℃，陈化反应时间为30min～80 min。
10.根据权利要求2～8中任一项所述的制备方法，其特征在于：经过陈化反应后的反应物料是在常温下采用去离子水进行洗涤，且洗涤至pH值为8.0～10.0，洗涤后的烘干是在100℃～160℃温度下进行处理。
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