CN104600283A - 一种富锂电极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种富锂电极材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池材料合成技术领域,具体为一种富锂电极材料及其合成方法和应用。本发明利用熔融盐一步法制备富锂层状材料并通过熔融盐比例调节晶体生长;本发明通过调节氢氧化钠或氢氧化钾的添加比例,得到具有不同长径比的富锂层状材料,并表现出电化学性能的改善。该材料的长径比为0.5~3,循环性能和倍率性能随长径比增加而改善,最高容量达到260mAh/g。用熔融盐法制备纳米材料具有制备步骤简单、效率高、熔融盐可回收利用和更易于工业放大等优点;本发明作为一种可调节晶体生长的熔融盐合成方法,具有推广和应用的价值。

Description

一种富锂电极材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米功能材料技术领域,具体涉及一种富锂电极材料及其制备方法和应用。
背景技术
LiMO2(M=Ni, Co, Mn…) 通常是指包括LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiNi0.5Mn0.5O2 , LiCo0.5Mn0.5O2 , Li(Ni0.33Mn0.33Co0.33)O2等正极材料在内的,具有α-NaFeO2层状结构、晶体空间群为 的层状正极材料。其中三元材料Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3) O2具有高比容量,倍率性能好,耐高压等优点,比容量能达到150-190mAh/g1。但是由于含有的过渡金属元素种类多,难以合成化学计量比一致的材料,同时在长期循环过程中会发生Co和Mn的溶解,破坏材料的稳定性2,3
2001年Dahn提出4:通过提高充电电压到4.6V以上,Li[NixLi(1/3-2x/3)Mn(2/3-x/3)]O2可以得到较高的比容量,自此富锂材料开始引起人们的关注。富锂层状正极材料主要优点是比容量高(普遍能达到200mAh/g),但是存在循环过程中容量衰减快,倍率特性差等问题。富锂层状材料一般可以表示为Li1+xM1-xO2 或者xLi2MnO3·(1-x) LiMO2(M=Mn,Ni,Co,Cr)。富锂化学式Li1+xM1-xO2通常也写成Li[LixM1-x]O2。富锂材料中的锂通常占据两种位置,一种是通常的Li层,在四面体位置;另一种Lix在过渡金属层,在八面体位置。Li2MnO3是单斜结构C2/m,Li+和Mn4+共同构成Mn层,每个Li+离子被 6 个Mn4+所包围,Li2MnO3 中的O与Mn层中的Li和Mn构成八面体结构,而锂层中的结构为四面体结构。Li2MnO3 电化学活性比较低,在首次充电过程中,它们在 4.5V 以上可以通过 Li2MO3的电化学活化过程脱出部分Li2O,使得结构变得稳定。Thackeray等以不具有电化学活性的层状材料Li2MnO3 稳定具有电化学活性的层状材料LiMO2 (),构成富锂 层 状 正 极 材 料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2 5,6
图1是一个典型的富锂正极材料充放电曲线:第一次充电时在4.5V左右形成充放电平台;第二次充电时平台消失。在富锂正极材料首次的充放电过程中对应的氧化还原反应有:
(1)充电时,在4.5V以下是LiMO2(M是过渡金属离子)层状结构的脱锂
xLi2MnO3·(1-x)LiMO2x Li2MnO3·(1-x)MO2+(1-x)Li+
(2)充电时,4.5V左右形成的充放电平台对应着Li2O和MnO2的生成。过渡金属层中多余的锂脱出,伴随着氧气的释放,同时形成了结构稳定的MnO2,能够使锂可逆的嵌入脱出7。这一过程是富锂正极材料实现高比容量特性的关键步骤;
x Li2MnO3 · (1-x)MO2xMnO2 · (1-x)MO2 +xLi2O
(3)放电时,锂离子嵌入生成的电化学活性的MnO2
xMnO2·(1-x)MO2+Li+xMnO2·(1-x)LiMO2
在首次充放电过程中,脱出1+x锂,嵌入1个锂,就是首圈的不可逆容量。
然而,对xLi2MnO3·(1-x)LiMO2材料存在较高的首圈不可逆容量、较差的倍率和循环性能等重要缺陷。这些问题得不到解决,就不能从根本上突破此类材料在实际应用(比如电动汽车灯)上的瓶颈。
越来越多的研究表明8-10,晶体微结构和锂离子迁移动力学对于锂电正极材料性能至关重要。晶体结构的规整性和一致性锕能够减少微结构的坍塌和破坏,进而有利于锂离子迁移的长期可持续性。对于锰系富锂材料xLi2MnO3(1-x)LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Al, Mg ... )而言,因其特殊的沿[0001]堆叠的层状结构特征,在锂离子迁移过程中,位于(0001)面
内的[11 0]和[1 10]方向比[0001]方向具有相对较小的阻抗,因此,如果可以控制晶体沿[0001]方向生长,更多的(0001)晶面的堆叠有利于增加锂离子传输的效率,进而改善材料的电化学性能。参见图2。
发明内容
本发明的目的在于提供性能优异的纳米电极材料,并形成一种通过NaOH或KOH控制晶体形貌改善材料性能的熔融盐合成方法。
本发明提供的纳米棒电极材料,其化学式为xLi2MnO3(1-x)LiMO2,该材料随着反应中氢氧化钠熔融盐组分比例的不同,具有不同的长径比,一般纳米棒的长径比在0.5~3之间;且长径比越长,其电化学性能越好。其中,M=Mn, Ni, Co, Al,或 Mg ,0<x<1。
本发明的纳米棒材料具有优异的循环性能和倍率性能,可制成一系列新型锂离子电池并应用至新能源汽车、电子产品等领域。
本发明还提供xLi2MnO3(1-x)LiMO2 材料的制备方法,具体步骤为:
(1)原材料的混合
把M的乙酸盐、硝酸盐前驱体和乙酸锂、硝酸锂按照化学式比例进行混合,混合方式可以是物理混合(如研磨、球磨等), 也可以是化学混合(如溶胶凝聚、共沉淀等),混合后,加入一定比例的NaOH或KOH,NaOH或KOH与M (Mn, Ni, Co, Al, 或Mg等)的摩尔比R为0.1~100(优选R为4 ~50,更有选R为5 ),干燥状态下球磨0.5~10小时(优选球磨2-6小时,更有选3小时);
(2)xLi2MnO3(1-x)LiMO2材料制备
将步骤(1)得到的前驱物置于坩埚中,进行高温煅烧,煅烧温度600~1000℃;然后,微波辅助或普通煅烧5~20小时(微波辅助加热实现方式为采用高温微波炉进行加热;加热机理为微波穿透被加热物体,使其极性分子振荡,分子之间相互摩擦产生热量;其优势为可以迅速升温,被加热物体可以内外均匀受热。普通煅烧即采用传统的马弗炉进行加热,热源为电阻丝,通过热传导将热量传递至被加热物体。两种加热方式均为实验室和工业生产中可以采用的加热方式 ),自然冷却或采用浸水、浸液氮冷却;
(3)产物的纯化和后处理
待冷却后,用去离子水和无水乙醇洗涤数次之后,离心分离,在55-65 ℃的真空烘箱中烘干。
由上述方法制备的xLi2MnO3(1-x)LiMO2 材料具有层状结构,并可随NaOH 比例出现响应沿C轴生长趋势。由附图1中扫描电镜照片可见随R的增加,出现明显的沿C轴增长,附图3中XRD测试中I(003)/I(104)的比值增加,附图4可见随R的增加出现很多超晶格富锂微结构小衍射点,代表结构的优化特征。
本发明制备的xLi2MnO3(1-x)LiMO2材料可用于制备电池并进行测试。将装配好的CR2016扣式电池装在武汉蓝电公司Land充放电测试系统C2001A进行充放电测试。
由图5可就见循环性能和倍率性能的提升。
本发明的纳米棒材料具有优异的循环性能和倍率性能,可作为电极材料用于制备一系列新型锂离子电池,并应用至新能源汽车、电子产品等领域。
附图说明
图1为富锂正极材料第一次及第二次充放电曲线。
图2为层状材料LiCoO2的结构示意图。
图3为xLi2MnO3(1-x)LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Al, Mg ... )不同MOH加入比例制备的纳米材料的扫描电镜照片。
图4为xLi2MnO3(1-x)LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Al, Mg ... )的X射线衍射谱。
图5为xLi2MnO3(1-x)LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Al, Mg ... )不同MOH加入比例制备的纳米材料的倍率以及循环性能图。其中,a为 倍率性能图,b为 循环性能图 。
具体实施方式
具体步骤为:
(1)原材料的混合
Mn, Ni, Co, Al, Mg等的乙酸盐或硝酸盐前驱体和乙酸锂、硝酸锂按照化学式比例进行混合,混合方式可以是物理混合(研磨、球磨等), 也可以是化学混合(溶胶凝聚、共沉淀等),混合后,一定比例的NaOH,NaOH与M (Mn, Ni, Co, Al, Mg)的摩尔比为0.1~100,干燥状态下球磨0.5~10小时;
(2)xLi2MnO3(1-x)LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Al, Mg ... )材料制备
将步骤(1)得到的前驱物置于坩埚中,进行煅烧,温度600~1000℃,微波辅助或普通煅烧5~20小时,自然冷却或采用浸水、浸液氮冷却;
(3)产物的纯化和后处理
待冷却后,用去离子水和无水乙醇洗涤数次之后,离心分离,在55-65 ℃的真空烘箱中烘干;
(4)表征方法
材料的表征
xLi2MnO3( 1-x)LiMO2 (M=Mn, Ni, Co, Al, Mg ... )纳米材料的形貌和尺寸是通过扫描电子显微镜(SEM, Hitachi FE-SEM S-4800 operated at 1 kV)来表征的,是直接将烘干的样品粉末洒在导电胶上来制作的。X-衍射光谱是在Bruker D8 X-ray diffractometer (Germany) with Ni-filtere Cu KR radiation operated at 40 kV and 40 mA上测得。
扣式半电池制备和测试的具体步骤为:
按活性物质:Super-P:PVDF= 80:10:10 的比例均匀混合,滴加乙二醇并搅拌使之成膜,在辊压机上成为薄膜。待干燥后冲成直径为10mm圆片。将正极片压制到Al箔上,再真空烘烤。以锂片为对电极和参比电极,Celgard2400聚丙烯多孔膜为隔膜,1M LiPF4的EC/DEC(体积比1:1)为电解液,在手套箱中组装为CR2016扣式电池。手套箱中H2O、O2含量控制在10ppm以下。
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Claims (3)

1. 一种富锂电极材料,其特征在于化学式为xLi2MnO3(1-x)LiMO2 ,其中纳米棒的长径比在0.5~3之间; M为Mn、 Ni、Co、Al,或 Mg ,0<x<1。
2. 一种如权利要求1所述的富锂电极材料的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)原材料的混合
把M的乙酸盐、硝酸盐前驱体和乙酸锂、硝酸锂按照化学式比例进行混合;混合后,加入NaOH或KOH,NaOH或KOH与M 的摩尔比R为0.1~100,干燥状态下球磨0.5~10小时;
(2)xLi2MnO3(1-x)LiMO2材料制备
将步骤(1)得到的前驱物置于坩埚中,进行煅烧,煅烧温度600~1000℃,微波辅助或普通煅烧5~20小时,自然冷却或采用浸水、浸液氮冷却;
(3)产物的纯化和后处理
待冷却后,用去离子水和无水乙醇洗涤数次之后,离心分离,在55-65 ℃的真空烘箱中烘干。
3. 如权利要求1所述的富锂电极材料在制备锂离子电池中的应用。
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