CN105098175A - 一种锂离子电池层状三元正极材料及其微波制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池层状三元正极材料及其微波制备方法，本发明锂离子电池层状三元正极材料的化学式为LixNiyCozTi1-y-zO2，式中1.0≤x≤1.2，0＜y≤0.6，0＜z≤0.4，1-y-z＞0；其微波制备方法包括下述步骤：首先按摩尔比依次称取锂盐、二价镍盐、三价钴盐、四价钛盐置于研钵中，再加入适量螯合剂和助磨剂研磨制成混合液，将混合液置于坩埚中放入微波炉加热10-40分钟，自然冷却后取出研磨，即得；本发明产品容量保持率高，循环稳定好；本发明方法工艺简单可行，原料易得，反应快，对设备要求不高，污染小，反应过程中的工艺参数简单可控。

Description

一种锂离子电池层状三元正极材料及其微波制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料，尤其是一种锂离子电池层状三元正极材料及其微波制备方法。
背景技术
目前，集节能、环保、可循环利用的绿色动力电池，是人类可再生清洁能源方面研究的一个重点，正极材料是动力电池的关键技术之一。锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍受青睐，但随着电子信息技术的快速发展，对锂离子电池的性能也提出了更高的要求。正极材料作为目前锂离子电池中最关键的材料，它的发展也最值得关注。
目前常见的锂离子电池正极材料主要有层状结构的钴酸锂、镍酸锂，尖晶石结构的锰酸锂和橄榄石结构的磷酸铁锂。其中，钴酸锂（LiCoO2）制备工艺简单，充放电电压较高，循环性能优异而获得广泛应用。但是，因钴资源稀少、成本较高、环境污染较大和抗过充能力较差，其发展空间受到限制。镍酸锂（LiNiO2）比容量较大，但是制备时易生成非化学计量比的产物，结构稳定性和热稳定性差。锰酸锂除了尖晶石结构的LiMn2O4外，还有层状结构的LiMnO2。其中层状LiMnO2比容量较大，但其属于热力学亚稳态，结构不稳定，存在Jahn-Teller效应而循环性能较差。尖晶石结构LiMn2O4工艺简单，价格低廉，充放电电压高，对环境友好，安全性能优异，但比容量较低，高温下容量衰减较严重。磷酸铁锂属于较新的正极材料，其安全性高、成本较低，但存在放电电压低（3.4V）、振实密度低、尚未批量生产等不足。上述几种正极材料的缺点都制约了自身的进一步应用，因此寻找新的正极材料成了研究的重点。
发明内容
本发明的目的就是针对现有的锂离子正极材料生产成本较高、环境污染大和抗过充能力较差，循环性能差，容量低等问题，提供一种新型锂离子电池层状三元正极材料及其微波制备方法。
本发明的一种锂离子电池层状三元正极材料，所述层状三元正极材料的化学式为LixNiyCozTi1-y-zO2，式中1.0≤x≤1.2，0＜y≤0.6，0＜z≤0.4，1-y-z＞0。
本发明的一种锂离子电池层状三元正极材料，其化学式为LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2。
本发明的一种锂离子电池层状三元正极材料，其化学式为LiNi0.6Co0.2Ti0.2O2。
本发明的一种锂离子电池层状三元正极材料，其化学式为LiNi0.5Co0.4Ti0.1O2。
本发明的一种锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，包括下述步骤：首先按摩尔比为x:y:z:1-y-z的比例，依次称取锂盐、二价镍盐、三价钴盐、四价钛盐置于研钵中，再加入适量螯合剂和助磨剂研磨10-15分钟混合均匀制成混合液，将混合液置于坩埚中放入微波炉加热10-40分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料；所述1.0≤x≤1.2，0＜y≤0.5，0＜z≤0.5，1-y-z＞0；所述螯合剂加入的摩尔量为锂盐、二价镍盐、三价钴盐、四价钛盐四种盐的摩尔量之和。
所述锂盐为醋酸锂或碳酸锂或氢氧化锂，所述二价镍盐为醋酸镍或碳酸镍，三价钴盐为醋酸钴或碳酸钴，所述四价钛盐为钛酸丁酯或钛酸四乙酯或二（2-羟基丙酸）二氢氧化二铵合钛，所述螯合剂为柠檬酸或聚乙二醇或葡萄糖或蔗糖，所述助磨剂为水或丙酮或乙醇或乙醚。
所述锂盐优选为醋酸锂，所述二价镍盐优选为醋酸镍，三价钴盐优选为醋酸钴，所述四价钛盐优选为钛酸丁酯，所述螯合剂优选为柠檬酸，所述助磨剂优选为水。
所述微波炉的加热档位优选为中高火档位。
本发明中所述微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉，其额定容量为23L，额定微波输出功率为900W，所述加热档位为中高火档位，中高火档位的功率为额定功率的80%。当然用其他品牌的微波炉制备本发明层状三元正极材料LixNiyCozTi1-y-zO2也是完全可行的，微波加热档位、加热时间也可根据具体情况进行调整。
本发明的锂离子电池层状三元正极材料LixNiyCozTi1-y-zO2，在0.2mAcm-2下2.7-4.2V范围内充放电100次后，放电容量为216.2mAhg-1，容量保持率为98.27%。循环稳定好，是最有希望替代现有锂离子电池正极材料的化合物之一。
本发明的锂离子电池层状三元正极材料LixNiyCozTi1-y-zO2的微波制备方法，工艺简单可行，无需特殊气氛保护，没有复杂的处理程序，污染少，原料易得，反应快，温度低，避免了使用高温高压等反应环境，不仅节能，而且对设备要求不高，反应过程中的工艺参数均可控，合成的产物颗粒尺寸小。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2的X-射线衍射图；
图2是本发明实施例1制备的层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2扫描电子显微镜图；
图3是本发明实施例1制备的层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2作为正极材料在0.2mAcm-2下2.7-4.2V的第一次和第五十次充放电特征图；
图4是本发明实施例1制备的层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2作为正极材料在0.2mAcm-2下2.7-4.2V的充放电100次的循环容量图。
具体实施方式
下面通过具体实施例来说明本发明的锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，但是下述实施例仅仅是举例解释本发明，而不以任何形式限制本发明。
实施例1
首先称取3mol醋酸锂，1mol醋酸镍，1mol醋酸钴，1mol钛酸丁酯和6mol柠檬酸，加2ml水研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热10分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
参见图1，图1是本实施例制备的层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2的X-射线衍射图。由图1可以看出，本实施例得到的物相为典型的α-NaFeO2六方层状结构，没有任何杂项峰出现。尖锐的峰形表明得到的材料结晶性好。
参见图2，图2是本实施例制备的层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2的扫描电子显微镜图。从图2可以看出，所得到的材料颗粒尺寸在200-500nm之间。
参见图3，图3是本实施例制备的LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2作为正极材料在0.2mAcm-2下2.7-4.2V的第一次和第五十次充放电特征图。充放电平台分别约为3.8和3.6V。第一次充放电容量分别为233和188mAhg-1，库伦效率为80.7%。第五十次充放电容量分别为195和186mAhg-1。库伦效率为95.4%，库伦效率明显提高。
参见图4，图4是本实施例制备的LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2作为正极材料在0.2mAcm-2下2.7-4.2V的充放电100次的循环容量图。可以看到，本实施例制备的LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2循环稳定性良好。
从图1、图2、图3和图4可以看出，本实施例制备的LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2，是一种及其优良的锂离子电池正极材料。
实施例2
首先称取3mol醋酸锂，1mol醋酸镍，1mol醋酸钴，1mol钛酸丁酯和6mol柠檬酸，加2ml水研磨15分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热20分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射、电镜扫描、充放电试验，得到的图谱与实施例1所得图谱相差无几。
实施例3
首先称取3mol醋酸锂，1mol醋酸镍，1mol醋酸钴，1mol钛酸丁酯和6mol柠檬酸，加2ml水研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热30分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射、电镜扫描、充放电试验，得到的图谱与实施例1所得图谱相差无几。
从实施例1-3可以看出，在计量比一样，所选用原料物质一样的前提下，用微波炉制备钛酸钴镍锂得到的化学式基本一致，并且所制备出的产物中各元素的比例与原料的计量比基本一致。
实施例4
首先称取3.3mol醋酸锂，1mol醋酸镍，1mol醋酸钴，1mol钛酸丁酯和6mol柠檬酸，加2ml水研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热20分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料Li1.13Ni1/3Co1/3Ti1/3O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射，发现本实施例得到的物相为典型的α-NaFeO2六方层状结构，没有任何杂项峰出现；通过电镜扫描，测得所得到的材料颗粒尺寸在200-500nm之间；进行充放电实验，其充放电性能稳定，循环性能良好。
实施例5：
首先称取3mol碳酸锂，1.5mol碳酸镍，0.9mol碳酸钴，0.6mol钛酸丁酯和6mol柠檬酸，加2ml水研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热20分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi0.5Co0.3Ti0.2O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射，发现本实施例得到的物相为典型的α-NaFeO2六方层状结构，没有任何杂项峰出现；通过电镜扫描，测得所得到的材料颗粒尺寸在200-500nm之间；进行充放电实验，其充放电性能稳定，循环性能良好。
从实施例4和实施例5可以看出，在各原料采用不同的计量比的情况下，得到的产物中各元素的比例与原料的计量比基本一致。
实施例6
首先称取3mol醋酸锂，1.8mol醋酸镍，0.6mol醋酸钴，0.6mol钛酸丁酯和6mol葡萄糖，加2ml水研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热20分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi0.6Co0.2Ti0.2O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射，发现本实施例得到的物相为典型的α-NaFeO2六方层状结构，没有任何杂项峰出现；通过电镜扫描，测得所得到的材料颗粒尺寸在200-500nm之间；进行充放电实验，其充放电性能稳定，循环性能良好。
实施例7
首先称取3mol醋酸锂，1.8mol醋酸镍，0.6mol醋酸钴，0.6mol钛酸丁酯和6mol聚乙二醇，加2ml丙酮研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热20分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi0.6Co0.2Ti0.2O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射，发现本实施例得到的物相为典型的α-NaFeO2六方层状结构，没有任何杂项峰出现；通过电镜扫描，测得所得到的材料颗粒尺寸在200-500nm之间；进行充放电实验，其充放电性能稳定，循环性能良好。
实施例8
首先称取3mol醋酸锂，1.8mol醋酸镍，0.6mol醋酸钴，0.6mol钛酸丁酯和6mol柠檬酸，加2ml乙醇研磨10分钟混合均匀后，将混合液置于坩埚中放入家用微波炉，在中高火档位下加热20分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料LiNi0.6Co0.2Ti0.2O2，本实施例中所用家用微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉。
将本实施例制备的层状三元正极材料分别采用X-射线衍射，发现本实施例得到的物相为典型的α-NaFeO2六方层状结构，没有任何杂项峰出现；通过电镜扫描，测得所得到的材料颗粒尺寸在200-500nm之间；进行充放电实验，其充放电性能稳定，循环性能良好。
从实施例6—8可以看出，在各原料采用相同的计量比的情况下，使用不同的螯合剂及助磨剂，所得到的产物中各元素的比例与原料的计量比基本一致，与螯合剂的选择及助磨剂的选择相关性不大。

Claims (9)

1.一种锂离子电池层状三元正极材料，其特征在于：所述层状三元正极材料的化学式为LixNiyCozTi1-y-zO2，式中1.0≤x≤1.2，0＜y≤0.6，0＜z≤0.4，1-y-z＞0。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池层状三元正极材料，其特征在于：所述x=1，y=1/3，z=1/3，所述层状三元正极材料的化学式为LiNi1/3Co1/3Ti1/3O2。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池层状三元正极材料，其特征在于：所述x=1，y=0.6，z=0.2，所述层状三元正极材料的化学式为LiNi0.6Co0.2Ti0.2O2。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池层状三元正极材料，其特征在于：所述x=1，y=0.5，z=0.4，所述层状三元正极材料的化学式为LiNi0.5Co0.4Ti0.1O2。
5.权利要求1所述的一种锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，其特征在于包括下述步骤：首先按摩尔比为x:y:z:1-y-z的比例，依次称取锂盐、二价镍盐、三价钴盐、四价钛盐置于研钵中，再加入适量螯合剂和助磨剂研磨10-15分钟混合均匀制成混合液，将混合液置于坩埚中放入微波炉加热10-40分钟，自然冷却后取出研磨，即得到粒径为200-500nm的黑色层状三元正极材料；所述1.0≤x≤1.2，0＜y≤0.5，0＜z≤0.5，1-y-z＞0；所述螯合剂加入的摩尔量为锂盐、二价镍盐、三价钴盐、四价钛盐四种盐的摩尔量之和。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，其特征在于：所述锂盐为醋酸锂或碳酸锂或氢氧化锂，所述二价镍盐为醋酸镍或碳酸镍，三价钴盐为醋酸钴或碳酸钴，所述四价钛盐为钛酸丁酯或钛酸四乙酯或二（2-羟基丙酸）二氢氧化二铵合钛，所述螯合剂为柠檬酸或聚乙二醇或葡萄糖或蔗糖，所述助磨剂为水或丙酮或乙醇或乙醚。
7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，其特征在于：所述锂盐为醋酸锂，所述二价镍盐为醋酸镍，三价钴盐为醋酸钴，所述四价钛盐为钛酸丁酯，所述螯合剂为柠檬酸，所述助磨剂为水。
8.根据权利要求5所述的一种锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，其特征在于：所述微波炉的加热档位为中高火档位。
9.根据权利要求8所述的一种锂离子电池层状三元正极材料的微波制备方法，其特征在于：所述微波炉为Galanz品牌WD900SL23-2型微波炉，其额定容量为23L，额定微波输出功率为900W，所述加热档位为中高火档位，中高火档位的功率为额定功率的80%。
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