CN104393278B - 一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法 - Google Patents

一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，通过共沉淀法制得氢氧化镍钴锰沉淀，将氢氧化镍钴锰沉淀用洗涤溶液即通入二氧化碳的去离子水洗涤，控制洗涤溶液的pH为6.50~6.70；洗涤完成后，抽滤、干燥，得到前驱体氢氧化镍钴锰三元材料；然后与碳酸锂进行混合，置于高温炉内分段烧结；烧结完成后，将材料取出，用破碎机破碎得到镍钴锰酸锂三元材料。通入二氧化碳的洗涤液呈弱酸性，易将前驱材料洗至中性，该方法安全简单。二氧化碳分别与残余的氢氧化钠和氨水结合为碳酸氢钠和碳酸氢铵，对环境友好，无污染。该制备方法新颖，能够迅速降低前驱体材料的pH值，进而降低成品三元材料的pH值，改善电池的电化学性能。

Description

一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种三元材料的制备方法，具体涉及一种能降低镍钴锰酸锂三元材料pH值的制备方法。
背景技术
作为新一代可充电式高能电池的锂离子电池，以其工作电压高，能量密度大，安全性能好，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应等众多优点而被广泛应用于手机，笔记本电脑等各种便携式仪表和工具。同时，在电动汽车中也具有很好的应用前景。对于动力电池正极材料，主要以锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰酸锂三元材料体系为主。其中镍钴锰酸锂三元材料具有α-NaFeO2层状结构，空间群为R3m。Li原子占据3a位，过渡金属原子Ni、Co和Mn自由分布在过渡金属的3b位，而O原子则分布在6c位。充放电时锂离子可在过渡金属原子与氧形成的（Ni/Co/ Mn-O）层之间嵌入与脱出。材料具有稳定的电化学性能（较高的充放电容量、良好的倍率性能、较宽的充放电窗口）。经过多年的发展，三元材料在比容量上的优势已经开始逐步显现。
三元材料pH值是评价其优劣的重要因素，pH值过高，不利于制浆。另外偏高的pH值也会使材料与集流体铝箔发生化学反应，生成Al(OH)3和H2，会阻碍Li+的传输，并且会使电池出现鼓包现象。此外对电池的容量，循环寿命，倍率等均会产生严重的影响。目前镍钴锰酸锂材料的合成主要采用共沉淀法，即将镍钴锰盐与液碱及氨水进行反应，由于在碱性环境下反应，所得沉淀为碱性，需要洗涤至中性。因为前驱体的pH值偏高将会导致烧结后的成品三元材料pH值偏高。但鲜少有文献或专利提出通过某种方法来快速将前驱体洗涤为中性的，针对这个问题，现提供一种迅速降低前驱体氢氧化镍钴锰pH值的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有镍钴锰酸锂三元材料pH值过高，不利于制浆、与集流体铝箔发生化学反应，生成Al(OH)3和H2，会阻碍Li+的传输，并且会使电池出现鼓包现象，此外对电池的容量，循环寿命，倍率等均会产生严重的影响，提供一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，可以迅速降低前驱体氢氧化镍钴锰pH值，从而降低镍钴锰酸锂三元材料的pH值，提高材料的电化学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，步骤如下：
（1）以镍钴锰的盐溶液、液碱和氨水为原料，通过共沉淀法制得氢氧化镍钴锰沉淀；
（2）将氢氧化镍钴锰沉淀用洗涤溶液进行洗涤，所述洗涤溶液为通入二氧化碳的去离子水，控制洗涤溶液的pH为6.50~6.70；
（3）洗涤完成后，抽滤、干燥，得到前驱体氢氧化镍钴锰三元材料；
（4）将步骤（3）所得前驱体氢氧化镍钴锰三元材料与碳酸锂进行混合，置于高温炉内分段烧结；
（5）烧结完成后，将材料取出，用破碎机破碎得到镍钴锰酸锂三元材料。
所述步骤（2）中去离子水中通入二氧化碳和空气的混合气体，其中二氧化碳占空气的体积份数为5%-10%。
所述步骤（2）中每次洗涤时间为40~60分钟。
所述步骤（2）中氢氧化镍钴锰沉淀与洗涤溶液的质量比为1:1~25。
所述步骤（1）中氢氧化镍钴锰沉淀的制备方法为：将镍、钴、锰的氯化盐溶液按照镍、钴、锰的摩尔比为6:2:2，或5:2:3，或1:1:1混合，向反应釜中加入混合后的氯化镍、氯化钴、氯化锰溶液，通入液碱溶液及氨水中进行共沉淀反应，控制混合溶液的pH值11～12，温度50~53℃，连续搅拌反应7~10小时后陈化12小时。
本发明的有益效果：（1）通入二氧化碳的洗涤液呈弱酸性，易将前驱材料洗至中性，该方法安全简单。（2）二氧化碳分别与残余的氢氧化钠和氨水结合为碳酸氢钠和碳酸氢铵，对环境友好，无污染。如果采用其他酸性溶液，如稀硫酸或稀盐酸，由于体系内的硫酸根或氯离子会在添加锂源后生成Li2SO4与LiCl等杂质，在组装成电池后在电解液中有可能生成硫酸与盐酸等强酸腐蚀极片。（3）该制备方法新颖，能够迅速降低前驱体材料的pH值，进而降低成品三元材料的pH值，改善电池的电化学性能。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例的一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，步骤如下：
（1）将镍、钴、锰三元的氯化盐溶液按照Ni:Co:Mn摩尔比为6:2:2混合，向反应釜中加入混合后的氯化镍、氯化钴、氯化锰溶液，通入1.9~2.5 mol/L液碱溶液及1.7~2.0 mol/L氨水中进行共沉淀反应，控制混合溶液的pH值11～12，温度50-53℃，连续搅拌反应7~10小时后陈化12小时；
（2）将反应釜内的氢氧化镍钴锰过滤，用去离子水进行洗涤的过程中通入5%的二氧化碳，水料比为5:1，控制洗涤溶液的pH为6.6，洗涤40分钟；
（3）洗涤完成后，抽滤、干燥；
（4）将步骤3）所得材料与碳酸锂进行混合，置于高温炉内分段烧结；
（5）烧结完成后，将材料取出，用破碎机破碎的粒度分布范围为9<D50<12的粉体。
所得材料的pH值及电性能如表1所示。
表1 实施例1所得镍钴锰酸锂三元材料的pH值及电性能
实施例2
本实施例的一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，步骤如下：
（1）将浓度为0.8~1.3 mol/L的镍、钴、锰三元的硫酸盐溶液按照Ni:Co:Mn摩尔比为5:2:3混合，向反应釜中加入混合后的硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰溶液，通入液碱溶液及氨水中进行共沉淀反应，混合溶液的pH值11，温度53℃，连续搅拌反应10小时后陈化12小时；
（2）反应釜内陈化后的氢氧化镍钴锰过滤，用去离子水进行洗涤的过程中通入10%的二氧化碳，水料比为25：1，控制洗涤溶液的pH为6.7，洗涤50分钟；
（3）洗涤完成后，抽滤、干燥；
（4）将步骤（3）所得材料与碳酸锂进行混合，置于高温炉内分段烧结；
（5）烧结完成后，将材料取出，用破碎机破碎的粒度分布范围为9<D50<12的粉体。
所得材料的pH值及电性能如表2所示。
表2 实施例2所得镍钴锰酸锂三元材料的pH值及电性能
实施例3
本实施例的镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，步骤如下：
（1）将镍、钴、锰三元的硝酸盐溶液按照Ni:Co:Mn摩尔比为1:1:1混合，向反应釜中加入混合后的硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰溶液，通入1.9~2.5 mol/L液碱溶液及1.7~2.0 mol/L氨水中进行共沉淀反应，控制混合溶液的pH值11～12，温度50℃，连续搅拌反应7小时后陈化12小时；
（2）将反应釜内的氢氧化镍钴锰过滤，用去离子水进行洗涤的过程中通入8%的二氧化碳，水料比为1：1，控制洗涤溶液的pH为6.5，洗涤60分钟；
（3）洗涤完成后，抽滤、干燥；
（4）将步骤（3）所得材料与碳酸锂进行混合，置于高温炉内分段烧结；
（5）烧结完成后，将材料取出，用破碎机破碎的粒度分布范围为9<D50<12的粉体。
所得材料的pH值及电性能如表3所示。
表3 实施例3所得镍钴锰酸锂三元材料的pH值及电性能
由上述三个实施例可以看出，普通的洗涤方式采用纯水洗涤，而且洗涤次数较多，效率很低，而本发明只需通入一次二氧化碳和两次纯水对前驱体氢氧化镍钴锰三元材料进行洗涤，就可以明显降低前驱体氢氧化镍钴锰三元材料的pH值，从而降低成品三元材料的pH值，方法简单快捷，提高效率。

Claims (4)

1.一种镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）以镍钴锰的盐溶液、液碱和氨水为原料，通过共沉淀法制得氢氧化镍钴锰沉淀；
（2）将氢氧化镍钴锰沉淀用洗涤溶液进行洗涤，所述洗涤溶液为通入二氧化碳的去离子水，控制洗涤溶液的pH 为6.50~6.70 ；
（3）洗涤完成后，抽滤、干燥，得到前驱体氢氧化镍钴锰三元材料；
（4）将步骤（3）所得前驱体氢氧化镍钴锰三元材料与碳酸锂进行混合，置于高温炉内分段烧结；
（5）烧结完成后，将材料取出，用破碎机破碎得到镍钴锰酸锂三元材料；
所述步骤（2）中每次洗涤时间为40~60分钟；
所述步骤（2）中氢氧化镍钴锰沉淀与洗涤溶液的质量比为1:1~25。
2.根据权利要求1 所述的镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中去离子水中通入二氧化碳和空气的混合气体，其中二氧化碳占空气的体积份数为5%~10%。
3.根据权利要求1 所述的镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中氢氧化镍钴锰沉淀的制备方法为：将镍、钴、锰的盐溶液按照镍、钴、锰的摩尔比为6:2:2，或5:2:3，或1:1:1 混合，向反应釜中加入混合后的镍、钴、锰的盐溶液，通入液碱溶液及氨水中进行共沉淀反应，控制混合溶液的pH 值11 ～ 12，温度50~53℃，连续搅拌反应7~10小时后陈化12小时。
4.根据权利要求3所述的镍钴锰酸锂三元材料的制备方法，其特征在于：所述镍的盐溶液为氯化镍溶液、硫酸镍溶液或硝酸镍溶液；所述锰的盐溶液为氯化锰溶液、硫酸锰溶液或硝酸锰溶液；所述钴的盐溶液为氯化钴溶液、硫酸钴溶液或硝酸钴溶液。
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