CN104779389B - 一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法 - Google Patents

一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，该正极材料由钴酸锂表面包覆一层镍镀层构成；其制备方法是将钴酸锂在分散剂的作用下依次经过敏化、活化、还原处理后，镀镍镀层；再将镀了镍镀层的钴酸锂进行热处理，即得镍包覆钴酸锂正极材料；该制备方法操作简单、工艺条件温和、成本低；制得的镍包覆钴酸锂正极材料，镍镀层包覆均匀，结构稳定，可用于制备导电性好、比容量高、功率密度大的锂离子电池。

Description

一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，属于锂离子电池正极材料领域。
背景技术
自从1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池并将其商品化以来，锂离子电池得到了迅猛发展。如今锂离子电池已经广泛地应用于民用及军用的各个领域。随着科技的不断进步，人们对电池的性能提出了更多更高的要求：电子设备的小型化和个性化发展，需要电池具有更小的体积和更高的比能量输出；航空航天能源要求电池具有循环寿命，更好的低温充放电性能和更高的安全性能；电动汽车需要大容量、低成本、高稳定性和安全性能的电池。随着使用化石能源所导致的环境污染问题日益严重，绿色、无污染的新能源产业越来越引起人们的重视。作为新能源产业的代表之一，锂离子电池产业在近些年得到了迅猛的发展。
锂离子电池由于具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、无记忆效应及环境友好等优点，已被广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子设备和电动汽车中。在锂离子电池的组成中，正极材料是决定其电化学性能、安全性能及未来发展方向的重要因素。钴酸锂自从20 世纪90 年代进入市场以来，一直占据着正极材料市场的主导地位。近年来，随着电子产品的进一步小型化和多功能化，对电池输出的能量密度提出了更高的要求，常规的钴酸锂已经不能满足要求。研究发现，对常规钴酸锂进行改性处理从而提升正极材料发挥的容量，是提高电池能量密度的最有效的方法之一。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高锂离子电池循环性能的钴酸锂材料及其制备方法。本发明的目的是在于提供一种镍镀层包覆均匀，结构稳定，可用于制备导电性好、比容量高、功率密度大的锂离子电池的钴酸锂正极材料。
本发明的镍包覆钴酸锂正极材料的制备方法包括以下具体步骤：
一、将钴酸锂颗粒置于乙醇和水按体积比1：2～3：1组成的混合溶剂中，采取机械搅拌，搅拌速度为50～500 转/ 分钟，温度为15～40℃，在频率为20～40kHz 的超声辅助下洗涤1～30min，离心分离，水洗涤数次；
二、再将所得钴酸锂置于温度为15～40℃的含氯化亚锡的盐酸溶液中，采取机械搅拌，以50～500 转/分钟的速率搅拌1～10min，离心分离，水洗涤数次；所述的含氯化亚锡的盐酸溶液由以下组分组成：氯化亚锡2～8g/L，浓盐酸2～6mL/L，分散剂0.2～2mL/L，溶剂为水；
三、接着将处理后的钴酸锂颗粒置于温度为15～40℃的含氯化钯的盐酸溶液中，采取机械搅拌，以50～500 转/ 分钟的速率搅拌进行活化处理1～10min，离心分离，水洗涤数次；所述的含氯化钯的盐酸溶液由以下组分组成：氯化钯0.1～1g/L，浓盐酸4～10mL/L，分散剂0.2 ～2mL/L，溶剂为水；
四、步骤三活化处理后的钴酸锂置于温度为15～40℃的次亚磷酸钠溶液中，采取机械搅拌，以50 ～500 转/ 分钟的速率搅拌进行还原处理0.5 ～5min，离心分离；所述的次亚磷酸钠溶液由以下组分组成：次亚磷酸钠1 ～5wt％，分散剂0.2 ～2mL/L，溶剂为水；
五、步骤四还原处理后的钴酸锂置于pH为8～8.5 的镀液中，在70～90℃温度条件下，采取机械搅拌，以50～500 转/分钟的速率搅拌进行化学镀镍0.5～10min，离心分离，水洗涤数次；所述的镀液由以下组分组成：硫酸镍20～60g/L，次亚磷酸钠15～30g/L，柠檬酸钠30～60g/L，氯化铵30～70g/L，分散剂0.2～2mL/L，溶剂为水；
六、步骤五中化学镀镍后的钴酸锂颗粒置于100～200℃的温度环境下，保温1～4小时，即得镍包覆钴酸锂正极材料。
本发明的镍包覆钴酸锂正极材料还包括以下优选方案：优选的镍包覆钴酸锂正极材料中镍镀层厚度为0.1 ～1.0μm。
优选的镍包覆钴酸锂正极材料中镍镀层为磷质量百分含量＜8％的镍磷合金。
优选的镍包覆钴酸锂正极材料中钴酸锂颗粒平均粒径D50分布在5～30μm 之间。
本发明所述的镍包覆钴酸锂正极材料的制备方法，是将钴酸锂颗粒采用醇水混合溶剂洗涤后，依次进行敏化、活化和还原预处理，预处理后的钴酸锂颗粒在分散剂作用下分散在含硫酸镍、次亚磷酸钠、柠檬酸钠和氯化铵的混合镀液中进行化学镀镍镀层；再将镀了镍镀层的钴酸锂颗粒进行热处理，即得。
本发明的有益效果：本发明首次采用镍包覆钴酸锂制得一种导电性性能好，结构稳定的镍包覆钴酸锂正极材料，可用于制备高比容量和高功率密度的锂离子电池。本发明技术方案突出的优势在于：
1、本发明对钴酸锂粉末颗粒表面包覆镍，一方面可以提高正极材料的导电性，利于电子传递，加快反应速度，有效提高锂离子电池的放电功率；另一方面可以增强材料的亲水亲油性，有利于材料表面溶液交换及离子传递，减少电极极化，提升电池放电电压平台，提高电池能量转换效率；
2、本发明采用镍包覆钴酸锂后制得的镍包覆钴酸锂粉末颗粒材料导电性大大提高，在制作锂离子电池电极时，可以减少使用或者不使用碳导电剂；
3、本发明的制备方法，整个制备工艺中都使用到分散剂，能将钴酸锂颗粒有效分散在溶液中，更有利于敏化、活化、还原和化学镀镍过程，以便于获得镀层包覆均匀，结构稳定的镍包覆钴酸锂正极材料；
4、本发明的制备工艺操作简单，工艺条件温和，生产成本低，满足工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1
取钴酸锂正极材料5g，平均粒径D50为大小为8.53μm，进行化学镀镍处理，化学镀镍的工艺为：
1、将上述钴酸锂加入酒精与水体积比为1:1，总体积为1L 的酒精水溶液中。温度为25℃，搅拌速度200 转每分钟，超声波震荡，震荡频率30kHz，时间为5min。
将钴酸锂离心分离，并用去离子水冲洗多次。
2、将清洗后的钴酸锂加入成分为氯化亚锡(SnCl2·2H2O)4g/L，37％HCl 4mL/L，OP-101mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。温度为25℃，搅拌速度200 转每分钟，时间为2min。
将钴酸锂离心分离，并用去离子水冲洗至pH 为7。
3、将敏化后的钴酸锂加入成分为氯化钯(PdCl2)0.4g/L，37％HCl 8mL/L，OP-101mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。温度为25 ℃，搅拌速度200 转每分钟，时间为2min。
将钴酸锂离心分离，并用去离子水冲洗至pH 为7。
4、将活化后的钴酸锂加入成分为次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)3％质量分数，OP-101mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。温度为25 ℃，搅拌速度200 转每分钟，时间为1min。
将钴酸锂离心分离。
5、将还原后的钴酸锂加入成分为硫酸镍(NiSO4·6H2O)35g/L，次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)20g/L，柠檬酸钠(C6H5Na3O7·2H2O)45g/L，氯化铵(NH4Cl)50g/L，表面活性剂1mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。用氨水或柠檬酸调节为pH 8 ～8.5，温度为85℃，搅拌速度200 转每分钟，时间为3min。
6、将化学镀镍后的钴酸锂放入150℃的烘箱中，保温2 小时。
实施例2
取钴酸锂正极材料20g，平均粒径D50大小为13.72μm，进行化学镀镍处理，化学镀镍的工艺为：
1、将上述钴酸锂加入酒精与水体积比为1:2，总体积为1L 的酒精水溶液中。温度为25℃，搅拌速度200 转每分钟，超声波震荡，震荡频率35kHz，时间为8min。
将钴酸锂离心分离，并用去离子水冲洗多次。
2、将清洗后的钴酸锂加入成分为氯化亚锡(SnCl2·2H2O)7g/L，37％HCl 5mL/L，蔗糖酯与OP-10 各0.5mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。温度为25℃，搅拌速度400转每分钟，时间为2min。
将钴酸锂离心分离，并用去离子水冲洗至pH 为7。
3、将钴酸锂加入成分为氯化钯(PdCl2)0.8g/L，37 ％HCl 4mL/L，蔗糖酯与OP-10各0.5mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。温度为25℃，搅拌速度200 转每分钟，时间为2min。
将钴酸锂离心分离，并用去离子水冲洗至pH 为7。
4、将活化后的钴酸锂加入成分为次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)4 ％质量分数，蔗糖酯与OP-10 各0.5mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。温度为25℃，搅拌速度200转每分钟，时间为1min。
将钴酸锂离心分离。
5、将还原后的钴酸锂加入成分为硫酸镍(NiSO4·6H2O)50g/L，次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)25g/L，柠檬酸钠(C6H5Na3O7·2H2O)30g/L，氯化铵(NH4Cl)60g/L，蔗糖酯与OP-10 各0.5mL/L，溶剂为去离子水，体积为1L 的溶液中。用氨水或柠檬酸调节为pH 8～8.5，温度为80℃，搅拌速度200 转每分钟，时间为3min。
6、将化学镀镍后的钴酸锂放入200℃的烘箱中，保温1 小时。
性能测定
为检验本发明方法制备的正极材料的性能，用半电池测试方法进行测试，用以上实施例1和实施例2、以及未经过镍包覆的钴酸锂正极极材料：乙炔黑：PVDF（聚偏氟乙烯）=93：3：4（重量比），加适量NMP（N-甲基吡咯烷酮）调成浆状，涂布于铝箔上，经真空110℃干燥8小时制成正极片；以金属锂片为对电极，电解液为1mol/L LiPF6/EC+DEC+DMC=1：1：1，聚丙烯微孔膜为隔膜，组装成电池。充放电电压为0～2.0V，充放电速率为0.2C，对电池性能进行能测试，测试结果见下表。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、将钴酸锂颗粒置于乙醇和水按体积比1：2～3：1组成的混合溶剂中，采取机械搅拌，搅拌速度为50～500转/分钟，温度为15～40℃，在频率为20～40kHz的超声辅助下洗涤1～30min，离心分离，水洗涤数次；
二、再将所得钴酸锂置于温度为15～40℃的含氯化亚锡的盐酸溶液中，采取机械搅拌，以50～500转/分钟的速率搅拌1～10min，离心分离，水洗涤数次；
三、接着将处理后的钴酸锂颗粒置于温度为15～40℃的含氯化钯的盐酸溶液中，采取机械搅拌，以50～500转/分钟的速率搅拌进行活化处理1～10min，离心分离，水洗涤数次；
四、步骤三活化处理后的钴酸锂置于温度为15～40℃的次亚磷酸钠溶液中，采取机械搅拌，以50～500转/分钟的速率搅拌进行还原处理0.5～5min，离心分离；
五、步骤四还原处理后的钴酸锂置于pH为8～8.5的镀液中，在70～90℃温度条件下，采取机械搅拌，以50～500转/分钟的速率搅拌进行化学镀镍0.5～10min，离心分离，水洗涤数次；
六、步骤五中化学镀镍后的钴酸锂颗粒置于100～200℃的温度环境下，保温1～4小时，即得镍包覆钴酸锂正极材料。
2.如权利要求1所述的一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的含氯化亚锡的盐酸溶液由以下组分组成：氯化亚锡2～8g/L，浓盐酸2～6mL/L，分散剂0.2～2mL/L，溶剂为水。
3.如权利要求1所述的一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的含氯化钯的盐酸溶液由以下组分组成：氯化钯0.1～1g/L，浓盐酸4～10mL/L，分散剂0.2～2mL/L，溶剂为水。
4.如权利要求1所述的一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤四中所述的次亚磷酸钠溶液由以下组分组成：次亚磷酸钠1～5wt％，分散剂0.2～2mL/L，溶剂为水。
5.如权利要求1所述的一种高容量钴酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：步骤五中所述的镀液由以下组分组成：硫酸镍20～60g/L，次亚磷酸钠15～30g/L，柠檬酸钠30～60g/L，氯化铵30～70g/L，分散剂0.2～2mL/L，溶剂为水。
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