CN105355909B - 一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法 - Google Patents

一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，所述镍钴铝酸锂分子式为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，包括以下步骤：称取锂盐、镍盐、钴盐及铝盐，溶解后作为溶液A；配制氧化剂溶液B，将溶液A、溶液B分别加入超临界反应器中，使其达到超临界状态反应，然后闪蒸法进行固液分离，得到前驱体C，置于微波反应器中反应得镍钴铝酸锂阴极材料。本发明的优点在于该制备方法工艺流程简单，采用超临界合成法在高温高压状态下保证了镍离子的完全氧化，制备的镍钴铝酸锂材料各金属元素分布均匀，电化学性能优异。

Description

一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸 锂的方法
技术领域
本发明属于锂离子电池材料领域，尤其涉及一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法。
背景技术
锂离子电池作为一种新型的电池，具有电压高、比能量大、循环寿命长、放电性能稳定、安全性好、无污染和工作温度范围宽等优点，锂离子电池因其优异的特性而受到极大重视。从1859年发明铅酸蓄电池后，人们就一直在寻找比能量高、循环寿命长的电池。日本sony公司开发研究了摇椅电池，是电池发展史上的一个里程碑。从此锂离子电池进入了飞速发展的时代，锂离子电池的正极材料相比负极材料的比容量要低很多，应此现下提高锂离子电池的比容量的途径就是正极材料。
目前已商业化的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和镍钴锰三元材料，尖晶石结构的锰酸锂，磷酸钒锂以及聚阴离子类正极材料磷酸金属锂和硅酸金属锂。层状钴酸锂正极材料是最早商业化的锂离子电池，虽然其能量密度高，但其成本高，对环境污染也比较大；尖晶石锰酸锂正极材料成本低，安全性高，不过其比容量低和高温性能较差；层状镍酸锂正极材料容量高，但是合成条件苛刻；橄榄石磷酸亚铁锂正极材料价格适中，循环性能非常好，但低温性能不好，体积比能量较低。纵观目前主要的几种正极材料，镍钴铝酸锂正极材料显示独特的优势，集结了钴酸锂、锰酸锂和镍酸锂三种正极材料的优点，即高能量，高容量，高安全性等，充放电平台与钴酸锂相近，被认为是最有可能替代钴酸锂而商业化的正极材料之一，而特斯拉电动车的成功也证实了其实用性。
镍钴铝酸锂材料传统的制备方法是：先采用共沉淀法制备出镍钴铝复合氢氧化物或碳酸盐沉淀，再将此前驱体与锂源按一定比例混合后，在氧气氛中高温烧结而成。此法在镍钴铝共沉淀时，由于铝的引入，与镍钴难以形成单一的层状结构，晶格有序性变差，导致颗粒球形形貌变差，流动性下降，得到的前驱体振实密度较低。
因此有必要开发一种新型的锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂以提高镍钴铝酸锂正极材料的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，该方法的优点在于制备方法工艺流程简单，采用超临界合成法在高温高压状态下保证了镍离子的完全氧化，制备的镍钴铝酸锂材料各金属元素分布均匀，电化学性能优异。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，所述镍钴铝酸锂分子式为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，其特征在于，工艺步骤如下：
按照化学计量比称取锂盐、镍盐、钴盐及铝盐，搅拌溶解后作为溶液A备用；同时配制氧化剂溶液B备用；将溶液A、溶液B分别加入超临界反应器中，调节反应条件使其达到超临界状态进行反应30-60min，反应结束后将反应液通过闪蒸法进行固液分离，得到固态前驱体C，将前驱体C置于微波反应器中反应10-30min既得镍钴铝酸锂阴极材料。
所述锂盐、镍盐、钴盐及铝盐为其硝酸盐、醋酸盐和草酸盐中的一种或几种。
所述溶解金属盐的溶液为去离子水或乙醇，金属盐浓度为0.5-3mol/L。
所述氧化剂为过氧化氢，溶液A与B的摩尔比为6-12：1。
所述超临界反应条件为温度300-500℃，压力为20-40Mpa。
所述微波反应温度为600-700℃。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：能够解决镍钴-铝核壳结构的元素分布不均匀性，可以镍离子的快速氧化，提高材料的容量和循环性。
附图说明
图1为本发明实施例1 制备的镍钴铝酸锂的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1 制备的镍钴铝酸锂的首次充放电曲线图；
图3为本发明实施例1 制备的镍钴铝酸锂的循环性能曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:
按照化学计量比称取硝酸锂、硝酸镍、硝酸钴和硝酸铝，溶于去离子水中制备2mol/L的金属盐水溶液A，同时配制1mol/L的过氧化氢溶液B，将两种溶液分别通过高压泵泵入超临界反应器中，设置反应温度为400℃，反应压力为35Mpa进行反应50min，反应结束后将反应液转移入闪蒸器中进行固液分离，得到固体前驱体C，最后将前驱体C置于微波反应器中700℃反应20min既得镍钴铝酸锂材料。
将制备的镍钴铝酸锂与乙炔黑、PVDF按照质量比80:15:5进行混合作为正极、锂片作为负极、1mol/L LiPF6-EC/DMC溶液作为电解液组装纽扣半电池，在2.7-4.3V电压范围内进行电化学检测，0.1C条件下放电比容量为203.2mAh/g，循环100周后，容量保持率为95.5%。
实施例2:
按照化学计量比称取醋酸锂、硝酸镍、硝酸钴和硝酸铝，溶于去离子水中制备2.5mol/L的金属盐水溶液A，同时配制1mol/L的过氧化氢溶液B，将两种溶液分别通过高压泵泵入超临界反应器中，设置反应温度为350℃，反应压力为40Mpa进行反应55min，反应结束后将反应液转移入闪蒸器中进行固液分离，得到固体前驱体C，最后将前驱体C置于微波反应器中670℃反应25min既得镍钴铝酸锂材料。
将制备的镍钴铝酸锂与乙炔黑、PVDF按照质量比80:15:5进行混合作为正极、锂片作为负极、1mol/L LiPF6-EC/DMC溶液作为电解液组装纽扣半电池，在2.7-4.3V电压范围内进行电化学检测，0.1C条件下放电比容量为201.3mAh/g，循环100周后，容量保持率为95.6%。
实施例3:
按照化学计量比称取醋酸锂、醋酸镍、硝酸钴和硝酸铝，溶于去乙醇中制备1mol/L的金属盐水溶液A，同时配制0.5mol/L的过氧化氢溶液B，将两种溶液分别通过高压泵泵入超临界反应器中，设置反应温度为460℃，反应压力为30Mpa进行反应60min，反应结束后将反应液转移入闪蒸器中进行固液分离，得到固体前驱体C，最后将前驱体C置于微波反应器中650℃反应30min既得镍钴铝酸锂材料。
将制备的镍钴铝酸锂与乙炔黑、PVDF按照质量比80:15:5进行混合作为正极、锂片作为负极、1mol/L LiPF6-EC/DMC溶液作为电解液组装纽扣半电池，在2.7-4.3V电压范围内进行电化学检测，0.1C条件下放电比容量为204.5mAh/g，循环100周后，容量保持率为93.7%。
实施例4:
按照化学计量比称取草酸锂、硝酸镍、醋酸钴和硝酸铝，溶于去离子水中制备1.5mol/L的金属盐水溶液A，同时配制1mol/L的过氧化氢溶液B，将两种溶液分别通过高压泵泵入超临界反应器中，设置反应温度为500℃，反应压力为40Mpa进行反应40min，反应结束后将反应液转移入闪蒸器中进行固液分离，得到固体前驱体C，最后将前驱体C置于微波反应器中700℃反应20min既得镍钴铝酸锂材料。
将制备的镍钴铝酸锂与乙炔黑、PVDF按照质量比80:15:5进行混合作为正极、锂片作为负极、1mol/L LiPF6-EC/DMC溶液作为电解液组装纽扣半电池，在2.7-4.3V电压范围内进行电化学检测，0.1C条件下放电比容量为199.8mAh/g，循环100周后，容量保持率为96.4%。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，所述镍钴铝酸锂分子式为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，其特征在于，工艺步骤如下：
按照化学计量比称取锂盐、镍盐、钴盐及铝盐，搅拌溶解后作为溶液A备用；同时配制氧化剂溶液B备用；将溶液A、溶液B分别加入超临界反应器中，调节反应条件使其达到超临界状态进行反应30-60min，反应结束后将反应液通过闪蒸法进行固液分离，得到固态前驱体C，将前驱体C置于微波反应器中反应10-30min即得镍钴铝酸锂阴极材料。
2.如权利要求1所述的一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，其特征在于，所述锂盐、镍盐、钴盐及铝盐为其硝酸盐、醋酸盐和草酸盐中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，其特征在于，所述溶解金属盐的溶液为去离子水或乙醇，金属盐浓度为0.5-3mol/L。
4.如权利要求1所述的一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，其特征在于，所述氧化剂为过氧化氢，溶液A与B的摩尔比为6-12：1。
5.如权利要求1所述的一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，其特征在于，所述超临界反应条件为温度300-500℃，压力为20-40Mpa。
6.如权利要求1所述的一种超临界合成法制备高能量锂离子电池阴极材料镍钴铝酸锂的方法，其特征在于，所述微波反应温度为600-700℃。
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