CN104617303A - 一种复合改性的锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合改性的锂离子电池正极材料及其制备方法。该复合改性的锂离子电池正极材料的化学通式为LiNi1-a-bCoaAlbO2/M，其中0.1<a<0.3，0.01<b<0.2，M为金属氧化物中的一种与碳的复合包覆层。复合包覆层与LiNi1-a-bCoaAlbO2的质量比为0.001～0.05:1；复合包覆层中金属氧化物与碳的质量比为1:1～10；复合包覆层的厚度为4～10nm。本发明的最大优点和有益效果为：提高了锂离子电池的循环性能及稳定性；碳源在缺氧的条件下形成无定型碳，为锂离子的迁移提高通道，不仅提高正极材料的电子导电性，也大大地提高了正极材料的倍率性能。

Description

一种复合改性的锂离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池领域，特别是涉及一种复合改性的锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池作为新一代的绿色环保电源，其具有能量密度大、电压高、自放电小、无记忆效应等优点，广泛应用于手机、相机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车及电动汽车等产品。随着电子产品的快速发展对锂离子电池的能量和功率要求越来越高，而锂离子电池的正极材料是锂离子电池的重要组成部分，是锂离子电池性能的主要影响因素。相对于已经产业化的正极材料钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂，镍钴铝酸锂具有价格低、克容量高、体积比容量高的优点，具有广泛的应用前景。
虽然镍钴铝酸锂具有诸多优点，但是由于存在吸湿性高、循环性能不够稳定等缺点使其在应用方面受到一定限制，因此材料的改性已成为亟待解决的问题。目前研究较多的是在镍钴铝酸锂表面包覆金属氧化物以提高材料的循环性能和安全性能，但是金属氧化物不具有电化学活性，对材料进行包覆改性后会致使材料的放电比容量或能量密度降低。另一种改性方式即对材料进行金属元素掺杂以提高材料的倍率性能，但是对材料的循环性能并无改善。
发明内容
       本发明提供一种复合改性的锂离子电池正极材料及其制备方法，克服现有技术的不足，采用复合包覆的方式以提高材料的循环性能和倍率性能。
       本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
       第一方面，一种复合改性的锂离子电池正极材料，化学通式为LiNi1-a-bCoaAlbO2/M，其中0.1<a<0.3，0.01<b<0.2，M为金属氧化物中的一种与碳的复合包覆层。
作为优选，所述的复合包覆层与LiNi1-a-bCoaAlbO2的质量比为0.001～0.05:1；所述的复合包覆层中金属氧化物与碳的质量比为1:1～10。
作为进一步的优选，所述的复合包覆层与LiNi1-a-bCoaAlbO2的质量比为0.005～0.03:1。
作为优选，所述的复合包覆层的厚度为4～10nm。
       第二方面，一种如第一方面所述的复合改性的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴ 将含碳化合物与金属氧化物加入溶剂中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀的包覆材料混合液；
 将正极材料LiNi1-a-bCoaAlbO2在搅拌的条件下加入到步骤中的混合液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质颗粒表面；
 将步骤所得的混合物干燥4～8h，将干燥后的固体材料在一定温度下煅烧一段时间后，冷却、粉碎、过筛得到正极材料。
       作为优选，所述的含碳化合物为石墨、石墨烯、炭黑、超导炭黑、蔗糖、葡萄糖、聚丙烯酸、淀粉及聚乙二醇中的一种或多种。
       作为优选，所述的金属氧化物为三氧化二铝、二氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氧化铜和氧化锌中的一种。
作为优选，所述的LiNi1-a-bCoaAlbO2的D50为5～25μm，D10≥5μm，D90≤30μm。
       作为优选，所述的煅烧温度为500～800℃，煅烧时间为3～10h，煅烧气氛为氮气或氩气气氛。
       与现有的技术相比，本发明的最大优点和有益效果如下：
       在正极材料表面包覆一层金属氧化物，使得包覆层在隔绝电解液与正极材料的同时使锂离子自由通过，从而在完成充放电的同时避免电解液的分解，提高了锂离子电池的循环性能及稳定性。
        在使用金属氧化物包覆的同时在包覆层中加入碳源，使得碳源在缺氧的条件下形成无定型碳，为锂离子的迁移提高通道，大大地提高了正极材料的倍率性能。
        无定型碳具有良好的导电性能，不仅可以提高正极材料的电子导电性，而且在高温处理时可以抑制正极材料的晶体生长，缩短电子和离子的迁移路径，从而提高正极材料的倍率性能。
附图说明
     图1是实施例1的改性的锂离子电池正极材料的首次充放电曲线图。
     图2是实施例1的改性的锂离子电池正极材料的循环充放电曲线图。
     图3是实施例1的改性的锂离子电池正极材料在不同倍率下的放电曲线图。
具体实施方式
为了对本发明有更深的了解，下面结合实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，但是本发明的实施例仅仅是为了解释本发明，并非限制本发明，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，均属于本发明的保护范围。
实施例1：
将三氧化二铝加入到葡萄糖溶液中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀混合液；将正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在搅拌的条件下加入到上述混合液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质颗粒表面；将此混合物干燥4～8h，将干燥后的固体材料在500℃下煅烧6h后，冷却、粉碎、过筛得到改性的正极材料。
材料的电化学性能测试采用蓝电电池测试系统在25℃下进行测试，倍率性能测试条件：测试电压范围为3V～4.3V， 0.2C充放电一次，0.2C充电0.5C/1C/5C/10C各放电一次；循环性能测试条件：测试电压范围为3V～4.3V，以1C倍率进行充放电，循环500周，考察容量保持率。材料在0.2C倍率下的放电比容量为190.5mAh/g，0.5C倍率下放电比容量为183.5 mAh/g，1C倍率下的放电比容量为180mAh/g，5C倍率下的放电比容量为170mAh/g，10C倍率下的放电比容量为158.7mAh/g，10C/0.2C放电比率为83.3%，倍率性能较好。1C充放电循环500周容量保持率大于93%，循环性能较好。
实施例2：
将氧化镁加入到淀粉溶液中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀混合液；将正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在搅拌的条件下加入到上述混合液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质颗粒表面；将此混合物干燥4～8h，将干燥后的固体材料在600℃下煅烧5h后，冷却、粉碎、过筛得到改性的正极材料。
实施例3：
将二氧化钛和石墨加入到无水乙醇中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀混合液；将正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在搅拌的条件下加入到上述混合液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质颗粒表面；将此混合物干燥4～8h，将干燥后的固体材料在600℃下煅烧5h后，冷却、粉碎、过筛得到改性的正极材料。

Claims (9)

1.一种复合改性的锂离子电池正极材料，其特征在于，化学通式为LiNi1-a-bCoaAlbO2/M，其中0.1<a<0.3，0.01<b<0.2，M为金属氧化物中的一种与碳的复合包覆层。
2.根据权利要求1所述的复合改性的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述的复合包覆层与LiNi1-a-bCoaAlbO2的质量比为0.001～0.05:1；所述的复合包覆层中金属氧化物与碳的质量比为1:1～10。
3.根据权利要求1所述的复合改性的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述的复合包覆层与LiNi1-a-bCoaAlbO2的质量比为0.005～0.03:1。
4.根据权利要求1所述的复合改性的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述的复合包覆层的厚度为4～10nm。
5.一种如权利要求1所述的复合改性的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴ 将含碳化合物与金属氧化物加入溶剂中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀的包覆材料混合液；
 将正极材料LiNi1-a-bCoaAlbO2在搅拌的条件下加入到步骤中的混合液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质颗粒表面；
 将步骤所得的混合物干燥4～8h，将干燥后的固体材料在一定温度下煅烧一段时间后，冷却、粉碎、过筛得到正极材料。
6.根据权利要求5所述的复合改性的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的含碳化合物为石墨、石墨烯、炭黑、超导炭黑、蔗糖、葡萄糖、聚丙烯酸、淀粉及聚乙二醇中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的复合改性的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的金属氧化物为三氧化二铝、二氧化钛、氧化镁、氧化锆、氧化钙、氧化铜和氧化锌中的一种。
8.根据权利要求5所述的复合改性的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的LiNi1-a-bCoaAlbO2的D50为5～25μm，D10≥5μm，D90≤30μm。
9.根据权利要求5所述的复合改性的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的煅烧温度为500～800℃，煅烧时间为3～10h，煅烧气氛为氮气或氩气气氛。
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