CN104681783A - 一种锂离子电池正极材料的包覆改性方法 - Google Patents

一种锂离子电池正极材料的包覆改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种锂离子电池常见正极材料的改性方法。该改性方法中，包覆层与基体的组成及结构均相同，首先合成基体材料；再将合成的基体材料、分散剂以及合成基体材料所需的原材料混合均匀后，再蒸发掉所述分散剂，然后烧结，得到包覆的正极材料。由于包覆上的物质和基体本身一样，因此工艺简单，成本低，具有很高的工业应用价值。

Description

一种锂离子电池正极材料的包覆改性方法
技术领域
本发明属于电极材料领域，具体涉及一种锂离子电池常见正极材料的改性方法。
背景技术
目前正极材料的改性方法包括金属离子掺杂、制备特定形貌、减小尺寸、表面包覆等，这些方法均能提高材料性能，其中表面包覆在提高材料导电性和对基体材料的保护方面具有重要作用，尤其受到关注。
目前包覆方法，一般是在基体表面包覆上C、SiO2、Al2O3、ZnO、AlPO4等异种物质。一方面，这些异种物质为非活性物质，对电池的容量会产生负面影响；另一方面，从材料合成角度来说，异种材料之间相容性差，另外，异种材质合成时所采用的前躯体制备方法、烧结温度、反应时间等工艺条件存在不同，因此增加了操作过程复杂性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：
提供一种锂离子电池正极材料的包覆改性方法，该改性方法中，包覆层与基体的组成及结构均相同，包覆层厚度的数量级为纳米级，具体为不超过50nm，具体的改性步骤为：
(1)合成基体材料，
这里所合成的基体材料为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、磷酸锰锂、硅酸铁锂或硫酸氟铁锂正极材料；
(2)将步骤(1)中合成的基体材料、分散剂以及合成步骤(1)中的基体材料所需的原材料混合均匀后，再蒸发掉所述分散剂，然后烧结，得到包覆的正极材料，
这里的分散剂为水、乙醇、丙酮、乙酸甲酯、聚乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、乙腈、碳酸酯类溶剂中的一种或多种的混合物。
本发明的技术方案中，由于正极材料表面包覆上一层与基体组成及结构均相同的纳米材料，这个包覆层可以阻隔基体与电解液的直接接触，起到保护作用，这种保护作用，与现有技术中采用异种材质包覆所起到的保护作用不同，它是利用包覆层与电解液之间的相互侵蚀，形成保护膜，从而起到缓冲作用，由于电极活性材料与电解液之间容易发生相互作用，而纳米化的电极材料薄膜的活性更高，因此更容易与电解液发生反应，从而更易形成保护膜，起 到更好保护作用。
另外，由于包覆层与基体本身是同一种物质，也具有良好的兼容性。相比传统的包覆方法，本方法包覆层原料均为基体合成所需原料，所需合成条件也与基体是一致的，因此简化了生产工艺，降低成本，具有较高应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1中，包覆前后的锰酸锂正极材料的X射线衍射图谱，其中1为空白锰酸锂，2为包覆之后的锰酸锂。
图2为本发明实施例1中，包覆后的锰酸锂正极材料的透射电镜图。
图3为本发明实施例1，以及对比实施例1中，包覆前后的锰酸锂正极材料的3C循环对比图，其中，
1—实施例1中，同种材料包覆的锰酸锂材料作为正极材料应用于锂离子电池的循环性能；
2—实施例1中步骤(1)中得到的基体锰酸锂材料，未经包覆直接作为正极材料应用于锂离子电池的循环性能；
3—对比实施例1中，异种材料包覆的锰酸锂材料作为正极材料应用于锂离子电池的循环性能。
具体实施方式
实施例1
(1)按照化学计量比称取二水醋酸锂与四水乙酸锰，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂乙醇混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温10h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体锰酸锂材料；
(2)按照化学计量比称取二水醋酸锂与四水乙酸锰(称取的总重量为步骤(1)中原料二水醋酸锂与四水乙酸锰之和的1.5％)，再加入步骤(1)中得到的基体锰酸锂材料，然后加入2wt％的分散剂乙醇混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温10h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的锰酸锂材料(其X射线衍射图谱如附图1所示)。
将上述包覆的锰酸锂材料作为正极材料应用于锂离子电池中，包覆后明显提高了其循环性能(见附图3)；上述被包覆的锰酸锂正极材料在经过附图3中循环200次后，透射电镜 图如附图2所示。
实施例2
(1)按照化学计量比称取六水硝酸钴与一水氢氧化锂，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂丙酮混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至600℃，保温10h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体钴酸锂材料；
(2)按照化学计量比称取六水硝酸钴与一水氢氧化锂(称取的总重量为步骤(1)中原料六水硝酸钴与一水氢氧化锂之和的0.3％)，再加入步骤(1)中得到的基体钴酸锂材料，然后加入2wt％的分散剂丙酮混合均匀后，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至600℃，保温10h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的钴酸锂材料。
实施例3
(1)按照化学计量比称取碳酸锂、二水草酸亚铁和磷酸二氢铵，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂聚乙二醇混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至700℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体磷酸铁锂材料；
(2)按照化学计量比称取碳酸锂、二水草酸亚铁和磷酸二氢铵(称取的总重量为步骤(1)中原料碳酸锂、二水草酸亚铁、磷酸二氢铵之和的0.1％)，再加入步骤(1)中得到的基体磷酸铁锂材料，然后加入2wt％的分散剂聚乙二醇混合均匀后，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至700℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的磷酸铁锂材料。
实施例4
(1)按照化学计量比称取碳酸锂、碱式碳酸钴、碱式碳酸镍和碳酸锰，室温(25℃)下置于球磨釜中，200rpm下球磨24h，混合均匀，然后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至500℃，保温5h后升温到900℃保温12h，再自然冷却到室温(25℃)，即得到基体 LiNi 1 3 Mn 1 3 Co 1 3 O 2 材料；
(2)按照化学计量比称取碳酸锂、碱式碳酸钴、碱式碳酸镍和碳酸锰(称取的总重量为步骤(1)中原料碳酸锂、碱式碳酸钴、碱式碳酸镍、碳酸锰之和的0.7％)，再加入步骤(1)中得到的基体材料，混合均匀后，置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至500℃，保温 5h后升温到900℃保温12h，再自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的材料。
实施例5
(1)按照化学计量比称取碳酸锂、碳酸锰、磷酸二氢铵，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂NMP混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至600℃，保温8h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体磷酸锰锂材料；
(2)按照化学计量比称取碳酸锂、碳酸锰、磷酸二氢铵(称取的总重量为步骤(1)中原料碳酸锂、碳酸锰、磷酸二氢铵之和的0.9％)，再加入步骤(1)中得到的基体磷酸锰锂材料，然后加入2wt％的分散剂NMP混合均匀后，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至600℃，保温8h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的磷酸锰锂材料。
实施例6
(1)按照化学计量比称取硅酸锂、草酸亚铁，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂去离子水混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体硅酸铁锂材料；
(2)按照化学计量比称取硅酸锂、草酸亚铁(称取的总重量为步骤(1)中原料硅酸锂、草酸亚铁之和的1.5％)，再加入步骤(1)中得到的基体硅酸铁锂材料，然后加入2wt％的分散剂去离子水混合均匀后，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的硅酸铁锂材料。
实施例7
(1)按照化学计量比称取硫酸亚铁、氟化锂，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂聚乙二醇混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至340℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体氟硫酸亚铁锂材料；
(2)按照化学计量比称取硫酸亚铁、氟化锂(称取的总重量为步骤(1)中原料硫酸亚铁、氟化锂之和的3％)，再加入步骤(1)中得到的基体氟硫酸亚铁锂材料，然后加入2wt％的分散剂聚乙二醇混合均匀后，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至340℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的氟硫酸亚铁锂材料。
实施例8
(1)按照化学计量比称取一水氢氧化锂、氧化镍，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂乙腈混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体镍酸锂材料；
(2)按照化学计量比称取一水氢氧化锂、氧化镍(称取的总重量为步骤(1)中原料一水氢氧化锂、氧化镍之和的3.5％)，再加入步骤(1)中得到的基体镍酸锂材料，然后加入2wt％的分散剂乙腈混合均匀后，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温12h后自然冷却到室温(25℃)，即得到包覆的镍酸锂材料。
对比实施例1
(1)按照化学计量比称取二水醋酸锂与四水乙酸锰，室温(25℃)下置于研钵中混合均匀，然后加入2wt％的分散剂乙醇混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温10h后自然冷却到室温(25℃)，即得到基体锰酸锂材料；
(2)按照化学计量比称取六水硝酸钴与一水氢氧化锂(称取的总重量为步骤(1)中原料二水醋酸锂与四水乙酸锰之和的1.5％)，再加入步骤(1)中得到的基体锰酸锂材料，然后加入2wt％的分散剂乙醇混合均匀，干燥后置于马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至750℃，保温10h后自然冷却到室温(25℃)，即得到异种材料钴酸锂所包覆的锰酸锂材料。

Claims (4)

1.一种锂离子电池正极材料的包覆改性方法，其特征在于：所述的改性方法中，包覆层与基体的组成及结构均相同，
所述改性方法的步骤为
(1)合成基体材料；
(2)将步骤(1)中合成的基体材料、分散剂以及合成步骤(1)中的基体材料所需的原材料混合均匀后，再蒸发掉所述分散剂，然后烧结，得到包覆的正极材料。
2.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的包覆改性方法，其特征在于：所述的基体材料为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、磷酸锰锂、硅酸铁锂或硫酸氟铁锂正极材料。
3.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的包覆改性方法，其特征在于：步骤(2)中所述的分散剂为水、乙醇、丙酮、乙酸甲酯、聚乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、乙腈、碳酸酯类溶剂中的一种或多种的混合物。
4.如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的包覆改性方法，其特征在于：所述的包覆层厚度不超过50nm。
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