CN104393280B - 一种锰钴锂正极材料的制备方法 - Google Patents

一种锰钴锂正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锰钴锂正极材料的制备方法,该正极材料的活性物质的化学式为Li1.02Mn1‑x‑yCoxMgyO2Iz,其中:x=0.32‑0.36,y=0.1‑0.15,z=0.01‑0.02,该方法包括如下步骤:(1))制备活性物质Li1.02Mn1‑x‑yCoxMgyO2Iz,(2)表面改性。本发明制备的正极材料,采用湿法制备和固相烧结法结合以获取较高的能量密度的活性物质,并使用I掺杂以及表面改性处理提高材料的高温循环稳定性,使得该材料具备较高的比容量和高温电化学稳定性。因此该复合材料在用于锂离子电池时,尤其是在高温应用场合时,具有较高容量和较长使用寿命。

Description

一种锰钴锂正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉一种锰钴锂正极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池作为一种绿色二次电池,具有重量轻、体积小、放电平台高、容量大、循环寿命长、无记忆效应等优点,已广泛应用于手机、相机、笔记本电脑等移动式电子电器,同时也正越来越多地用于人造卫星、航空航天、电动汽车等领域。
目前商品化锂离子二次电池主要选用LiCoO2为正极材料,但钴元素相对贫乏导致原料成本高,LiMnO2和LiCoO2具有相同的层状结构并且资源丰富、成本低,无环境污染,是一种理想的替代LiCoO2后选材料,但是LiMnO2在合成过程中不易准确控制化学计量比,充放电过程中Ni3+已转化成Ni4+将严重影响其循环寿命,热稳定性差,甚至氧化分解电解质带来安全隐患。研究表明,掺入Co元素可以改善LiMnO2结构的稳定性,且20%左右的Ni被Co取代制得的正极材料电性能良好。
但是目前纯锰钴锂材料的高温安全性能和高温循环性能不是很好。
发明内容
本发明提供一种锰钴锂正极材料的制备方法,使用该方法制备的正极材料,具有较高的比容量和高温循环稳定性。
为了实现上述目的,本发明提供的一种锰钴锂正极材料的制备方法,该正极材料的活性物质的化学式为Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz,其中: x=0.32-0.36,y=0. 1-0.15,z=0.01-0.02,该方法包括如下步骤:
(1)制备活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz
配制摩尔比为Mn:Co = 1-x-y:x的硫酸锰、硫酸钴的混合溶液,混合溶液中两种金属离子的总浓度为2-3 mol/L;
配制浓度为4-6 mol/L的KOH溶液,0.5-1mol/L的氨水溶液,按照NH3·H2O∶KOH=0.3-0.4的比例将KOH溶液和氨水溶液混合成混合碱溶液;
将两种混合溶液并行加入反应釜中,在氮气或惰性气体的保护下,以连续反应的方式控制反应,PH值控制11-13,温度50-60℃,过滤洗涤至洗水PH值小于7.5,在105-110℃下烘干,即得锰钴氢氧化物前驱体。
将上述锰钴氢氧化物前驱体、氢氧化锂、碳酸镁和碘化锂按照摩尔比(1-y):1.02:y:z球磨混合充分,在空气气氛中,在950-1000℃下保温10-15h,自然降温至室温,粉碎分级,制得活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz
(2)表面改性
在丙酮溶剂中配制浓度为0.1-0.2mol/L的异丙醇铝溶液,将上述活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz处理成粒径为10-15μm的颗粒后加入该异丙醇铝溶液,控制丙酮溶剂的质量为活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz质量的2-3倍,搅拌10-20min,使其混合均匀,然后将混合物干燥,在500-660℃下热处理干燥物4-6h,得到正极材料。
本发明制备的正极材料,采用湿法制备和固相烧结法结合以获取较高的能量密度的活性物质,并使用I掺杂以及表面改性处理提高材料的高温循环稳定性,使得该材料具备较高的比容量和高温电化学稳定性。因此该复合材料在用于锂离子电池时,尤其是在高温应用场合时,具有较高容量和较长使用寿命。
具体实施方式
实施例一
本实施例的正极材料的活性物质的化学式为Li1.02Mn.58Co0.32Mg0.1O2I0.01
配制摩尔比为Mn:Co = 0.58:0.32的硫酸锰、硫酸钴的混合溶液,混合溶液中三种金属离子的总浓度为2 mol/L;配制浓度为4 mol/L的KOH溶液,0.5mol/L的氨水溶液,按照NH3·H2O∶KOH=0.3的比例将KOH溶液和氨水溶液混合成混合碱溶液。
将两种混合溶液并行加入反应釜中,在氮气或惰性气体的保护下,以连续反应的方式控制反应,PH值控制11,温度50℃,过滤洗涤至洗水PH值小于7.5,在105℃下烘干,即得锰钴氢氧化物前驱体。
将上述锰钴氢氧化物前驱体、氢氧化锂、碳酸镁和碘化锂按照摩尔比1.01:0.9:0.1:0.01球磨混合充分,在空气气氛中,在950℃下保温15h,自然降温至室温,粉碎分级,制得活性物质Li1.02Mn.58Co0.32Mg0.1O2I0.01
在丙酮溶剂中配制浓度为0.1-0.2mol/L的异丙醇铝溶液,将上述活性物质Li1.02Mn.58Co0.32Mg0.1O2I0.01处理成粒径为10-15μm的颗粒后加入该异丙醇铝溶液,控制丙酮溶剂的质量为活性物质Li1.02Mn.58Co0.32Mg0.1O2I0.01质量的2倍,搅拌20min,使其混合均匀,然后将混合物干燥,在500℃下热处理干燥物6h,得到正极材料。
实施例二
本实施例的正极材料的活性物质的化学式为Li1.02Mn0.49Co0.36Mg0.15O2I0.02
配制摩尔比为Mn:Co = 0.49:0.36的硫酸锰、硫酸钴的混合溶液,混合溶液中三种金属离子的总浓度为3 mol/L;配制浓度为6 mol/L的KOH溶液, 1mol/L的氨水溶液,按照NH3·H2O∶KOH=0.4的比例将KOH溶液和氨水溶液混合成混合碱溶液。
将两种混合溶液并行加入反应釜中,在氮气或惰性气体的保护下,以连续反应的方式控制反应,PH值控制13,温度60℃,过滤洗涤至洗水PH值小于7.5,在110℃下烘干,即得锰钴氢氧化物前驱体。
将上述锰钴氢氧化物前驱体、氢氧化锂、碳酸镁和碘化锂按照摩尔比1:0.85:0.15:0.02球磨混合充分,在空气气氛中,在1000℃下保温10h,自然降温至室温,粉碎分级,制得活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz
在丙酮溶剂中配制浓度为0.2mol/L的异丙醇铝溶液,将上述活性物质Li1.02Mn0.49Co0.36Mg0.15O2I0.02处理成粒径为10-15μm的颗粒后加入该异丙醇铝溶液,控制丙酮溶剂的质量为活性物质Li1.02Mn0.49Co0.36Mg0.15O2I0.02质量的3倍,搅拌10min,使其混合均匀,然后将混合物干燥,在660℃下热处理干燥物4h,得到正极材料。
比较例
将硫酸镍、硫酸钴和硫酸铝按摩尔比Ni2+∶Co2+∶Al3+=0.7∶0.25∶0.05混合配制成1mol/L的水溶液,将过硫酸钾配制成2mol/L的水溶液,将氢氧化钾配制成3mol/L 的溶液2L并加入0.5L 0.75mol/L的氨水。然后将配制好的混合盐溶液与过硫酸钾溶液均以10ml/min的流速并流加入带有搅拌装置的12L反应釜中,以450rpm的速度搅拌并加热至35℃,调节碱溶液的进料速度以控制反应体系的pH值在11-11.5之间,反应8h后结束,然后过滤出球形羟基氧化镍钴铝前驱体。再将球形羟基氧化镍钴铝用去离子水洗涤过滤6遍后,于120℃真空干燥箱中烘干12h得到前驱体。该前驱体形貌为球形和类球形;该前驱体X射线衍射图与标准卡06-0141一致。再将氢氧化锂与前驱体以1.06∶1的比例混合均匀后,置于流动纯氧气气氛炉中于700℃焙烧10h,冷却后破碎分级,得到掺铝镍钴酸锂材料。
将上述实施例一、二以及比较例所得产物分别和导电碳黑、粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)按质量比85∶10∶5混合,涂覆在铜箔上,以金属锂片为对极,电解液为1mol/L的LiPF6溶液,溶剂为EC、DEC和EMC的混合溶剂,体积比为1∶1∶1。在氩气保护的手套箱内将正极、负极、电解液、隔离膜与电池壳组装成扣式电池。在测试温度为50℃的高温环境下进行电性能测试,经测试该实施例一和二的材料与比较例的产物相比,首次比容量提高了22-25%,使用寿命提高到40%以上。

Claims (1)

1.一种锰钴锂正极材料的制备方法,该正极材料的活性物质的化学式为Li1.02Mn1-x- yCoxMgyO2Iz,其中: x=0.32-0.36,y=0. 1-0.15,z=0.01-0.02,该方法包括如下步骤:
(1)制备活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz
配制摩尔比为Mn:Co = 1-x-y:x的硫酸锰、硫酸钴的混合溶液,混合溶液中两种金属离子的总浓度为2-3 mol/L;
配制浓度为4-6 mol/L的KOH溶液,0.5-1mol/L的氨水溶液,按照NH3·H2O∶KOH=0.3-0.4的比例将KOH溶液和氨水溶液混合成混合碱溶液;
将两种混合溶液并行加入反应釜中,在氮气或惰性气体的保护下,以连续反应的方式控制反应,PH值控制11-13,温度50-60℃,过滤洗涤至洗水PH值小于7.5,在105-110℃下烘干,即得锰钴氢氧化物前驱体;
将上述锰钴氢氧化物前驱体、氢氧化锂、碳酸镁和碘化锂按照摩尔比(1-y):(1.02-z):y:z球磨混合充分,在空气气氛中,在950-1000℃下保温10-15h,自然降温至室温,粉碎分级,制得活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz
(2)表面改性
在丙酮溶剂中配制浓度为0.1-0.2mol/L的异丙醇铝溶液,将上述活性物质Li1.02Mn1-x- yCoxMgyO2Iz处理成粒径为10-15μm的颗粒后加入该异丙醇铝溶液,控制丙酮溶剂的质量为活性物质Li1.02Mn1-x-yCoxMgyO2Iz质量的2-3倍,搅拌10-20min,使其混合均匀,然后将混合物干燥,在500-660℃下热处理干燥物4-6h,得到正极材料。
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