CN104993148A - 一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法 - Google Patents

一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法 Download PDF

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Abstract

一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于包括以下步骤：1）将四氧化三钴和有机碳源加水混合，球磨处理后喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中预处理，得到碳包覆四氧化三钴粉体；2）将锂源溶于水中，加入步骤1）得到的四氧化三钴粉体，然后球磨处理后喷雾造粒，得到干燥粉体；3）将步骤2）得到的干燥粉体在惰性气氛中处理，再进行高温热处理，经过气流分级即得到锂离子正极材料LiCoO2/C。通过对四氧化三钴首先进行碳包覆，避免后期因高温处理导致钴酸锂的团聚，防止钴酸锂晶粒生产过大，提高材料的导电性能，提升钴酸锂的循环稳定性。

Description

一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料，尤其是涉及采用碳包覆四氧化三钴工艺所制备的一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法。
背景技术
目前随着全球性石油资源紧缺与气候环境的不断恶化，人类社会发展面临着严峻的挑战。发展清洁节能的新能源汽车受到世界各国的高度重视。新能源汽车的发展，关键在其动力电源。锂离子电池具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作电压范围宽、使用寿命长、无环境污染等优点，是目前新能源汽车主要的动力电源。而锂离子电池关键电极材料是电池性能的最终决定性因素，其中正极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。因此，开发高性能、廉价的正极材料对促进新能源汽车及相关新兴产业的发展具有重要的意义。
正极材料是影响锂离子电池的能量密度、比能量、寿命等性能的最为关键的因素之一。在现有的正极材料中，层状结构正极材料依然是主流。第一代层状材料LiCoO2的电化学稳定性好，循环性能优异，但容量仅为其理论容量的50%，且存在着资源和安全性等重大问题；LiNiO2 比容量最高，但合成困难，并存在较大的安全隐患；LiMnO2热稳定性良好且价格便宜，但是充放电过程中的明显相变导致其循环稳定性很差。多元层状正极材料、如LiCo1/3Ni1/3Mn1/3 O2，LiNi0.8Al0.2O2，综合了现有层状结构材料的优势，达到了160 mAg/g 的比能量，但是材料中的高Co、Ni含量仍然存在成本、资源等问题，安全性、也是该材料致命的缺点。尖晶石型的LiMn2O4因为高安全性、廉价而受到动力电池的亲昧，已得到商业化的应用，但是相对低的比能量或比功率成为这二个材料最致命的缺点，阻碍了这二个材料的应用领域。
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
本发明的目的是提供工艺路线简单，适用于大规模工业生产，采用碳包覆四氧化三钴工艺所制备的一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法。
本发明包括以下步骤：
1）将四氧化三钴和有机碳源加水混合，球磨处理后喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中预处理，得到碳包覆四氧化三钴粉体；
2）将锂源溶于水中，加入步骤1）得到的四氧化三钴粉体，然后球磨处理后喷雾造粒，得到干燥粉体；
3）将步骤2）得到的干燥粉体在惰性气氛中处理，再进行高温热处理，经过气流分级即得到锂离子正极材料LiCoO2/C。
步骤1）中，所述有机碳源可采用可溶于水的有机物中的一种，所述可溶于水的有机物可选自葡萄糖、蔗糖、果糖、聚乙二醇、聚丙烯酸、壳聚糖等中的一种；所述球磨处理的时间为5～10h ；所述预处理的温度为400～500℃，预处理的时间为5～8h。
在步骤2）中，所述锂源可采用水溶性锂盐醋酸锂、氢氧化锂中的一种；所述球磨处理的时间为2～3h。
在步骤1）和2）中，所述四氧化三钴、锂源按元素摩尔数为n（Li）：n（Co）=1.03～1.07；在步骤1）中，所述有机碳源的质量为四氧化三钴质量的10%～15%；在步骤1）和2）中，所述水可采用无盐水，其中步骤1）中水的加入量按质量比为四氧化三钴的3～4 倍，步骤2）中水的加入量按质量比为碳包覆四氧化三钴粉体质量的3～4 倍。
在步骤1）和3）中，所述惰性气氛可采用氮气或氩气等。
在步骤3）中，所述处理的温度为500～600℃，处理的时间为10～20h ；所述高温热处理的温度为750～850℃，高温热处理的时间为2～20h。
与现有的锂离子正极材料LiCoO2的合成方法相比，本发明的优点在于：对合成原料四氧化三钴首先进行碳包覆，避免后期因高温处理导致钴酸锂的团聚，防止钴酸锂晶粒生产过大，能有效地提高锂离子在充放电过称中的扩散速率。采用了可溶于水的有机碳源，使碳源更均匀包覆在粒子表面，有机物经过烧结热解后形成的电导率高纳米碳包覆层，提高了材料的导电性能，提升了钴酸锂的循环稳定性。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
按照n（Li）：n（Co）=1.03，称取282g醋酸锂和1000g四氧化三钴，按照四氧化三钴10%的重量加入有机碳源葡萄糖100g，将四氧化三钴和葡萄糖加入加3L 无盐水混合均匀，球磨处理8h，喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中于500 ℃预处理7h，得到碳包覆四氧化三钴粉体。将醋酸锂溶于3.5L 无盐水中，加入碳包覆四氧化三钴粉体搅拌均匀，球磨处理3h，喷雾造粒得到干燥粉体。将该粉体加入到回转炉中，在N2 气氛中650 ℃烧结8h，再升温至800 ℃烧结5h 后，冷却，过筛，气流分级及得到产品。
所得产品碳含量为1.2%。
实施例2
按照n（Li）：n（Co）=1.07，称取106g氢氧化锂和1000g四氧化三钴，按照四氧化三钴15%的重量加入有机碳源蔗糖150g，将四氧化三钴和蔗糖加入加3.5L 无盐水混合均匀，球磨处理8h，喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中于500 ℃预处理8h，得到碳包覆四氧化三钴粉体。将氢氧化锂溶于3.5L 无盐水中，加入碳包覆四氧化三钴粉体搅拌均匀，球磨处理3h，喷雾造粒得到干燥粉体。将该粉体加入到回转炉中，在N2 气氛中600 ℃烧结8h，再升温至800 ℃烧结4h 后，冷却，过筛，气流分级及得到产品。
所得产品碳含量为1.6%。
实施例3
按照n（Li）：n（Co）=1.05，称取104g氢氧化锂和1000g四氧化三钴，按照四氧化三钴10%的重量加入有机碳源聚乙二醇100g，将四氧化三钴和聚乙二醇加入加3.0L 无盐水混合均匀，球磨处理3h，喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中于500 ℃预处理8h，得到碳包覆四氧化三钴粉体。将氢氧化锂溶于3.5L 无盐水中，加入碳包覆四氧化三钴粉体搅拌均匀，球磨处理3h，喷雾造粒得到干燥粉体。将该粉体加入到回转炉中，在N2 气氛中650 ℃烧结8h，再升温至820 ℃烧结6h 后，冷却，过筛，气流分级及得到产品。
所得产品碳含量为2.3%。
实施例4
按照n（Li）：n（Co）=1.06，称取290g醋酸锂和1000g四氧化三钴，按照四氧化三钴15%的重量加入有机碳源聚丙烯酸150g，将四氧化三钴和聚丙烯加入加3.6L 无盐水混合均匀，球磨处理8h，喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中于500 ℃预处理8h，得到碳包覆四氧化三钴粉体。将醋酸锂溶于3.5L 无盐水中，加入碳包覆四氧化三钴粉体搅拌均匀，球磨处理3h，喷雾造粒得到干燥粉体。将该粉体加入到回转炉中，在N2 气氛中650 ℃烧结8h，再升温至880 ℃烧结8h 后，冷却，过筛，气流分级及得到产品。
所得产品碳含量为2.6%。
实施例5
按照n（Li）：n（Co）=1.04，称取103g氢氧化锂和1000g四氧化三钴，按照四氧化三钴10%的重量加入有机碳源葡萄糖100g，将四氧化三钴和葡萄糖加入加3.6L 无盐水混合均匀，球磨处理8h，喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中于500 ℃预处理8h，得到碳包覆四氧化三钴粉体。将氢氧化锂溶于4.0L 无盐水中，加入碳包覆四氧化三钴粉体搅拌均匀，球磨处理3h，喷雾造粒得到干燥粉体。将该粉体加入到回转炉中，在N2 气氛中650 ℃烧结8h，再升温至880 ℃烧结5h 后，冷却，过筛，气流分级及得到产品。
所得产品碳含量为2.3%。
对比例1
按照n（Li）：n（Co）=1.03，称取282g醋酸锂和1000g四氧化三钴，加入加3L 无盐水混合均匀，球磨处理8h，喷雾造粒得到干燥粉体。将该粉体加入到回转炉中，在N2 气氛中650 ℃烧结8h，再升温至800 ℃烧结5h 后，冷却，过筛，气流分级及得到产品。
所得产品碳含量为0。
电化学性能测试
为检验本发明方法制备的改性锂离子电池钴酸锂正极材料的性能，用半电池测试方法进行测试，用以上实施例和比较例的正极材料：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，涂布于铜箔上，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1.0～2.5V，充放电速率为0.5C，对电池性能进行能测试，测试结果见表1。
表1为不同实施例和比较例中正极材料的性能比较
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将四氧化三钴和有机碳源加水混合，球磨处理后喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中预处理，得到碳包覆四氧化三钴粉体；
2）将锂源溶于水中，加入步骤1）得到的四氧化三钴粉体，然后球磨处理后喷雾造粒，得到干燥粉体；
3）将步骤2）得到的干燥粉体在惰性气氛中处理，再进行高温热处理，经过气流分级即得到锂离子正极材料LiMn2O4/CLiCoO2/C。
2.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤1）中，所述有机碳源采用可溶于水的有机物中的一种，所述可溶于水的有机物可选自葡萄糖、蔗糖、果糖、聚乙二醇、聚丙烯酸、壳聚糖中的一种。
3.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤1）中，所述球磨处理的时间为5 ～10h ；所述预处理的温度可为400 ～500 ℃，预处理的时间可为5 ～8h。
4.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤2）中，所述锂源可采用水溶性锂盐醋酸锂、氢氧化锂中的一种；所述球磨处理的时间可为2 ～3h。
5.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤1）和2）中，所述四氧化三钴、锂源按元素摩尔数可为n（Li）：n（Co）=1.03～1.07。
6.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤1）中，在步骤1）中，所述有机碳源的质量可为四氧化三钴质量的10%～15%。
7.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤1）和2）中，在步骤1）和2）中，所述水可采用无盐水，其中步骤1）中水的加入量按质量比可为四氧化三钴的3～4 倍，步骤2）中水的加入量按质量比可为碳包覆四氧化三钴粉体质量的3～4 倍。
8.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤1）和3）中，所述惰性气氛采用氮气或氩气。
9.如权利要求1 所述一种锂离子正极材料LiCoO2/C的合成方法，其特征在于在步骤3）中，所述处理的温度可为500～600℃，处理的时间可为10～20h；所述高温热处理的温度可为750～850℃，高温热处理的时间可为2～20h。
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