CN105355923A - 表面包覆锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种表面包覆锂离子电池正极材料，包括：正极活性物质；以及导电材料，包覆于所述正极活性物质表面；所述导电材料为稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体。本发明还涉及一种上述表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法。本发明提供的表面包覆锂离子电池正极材料，由于稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体具有良好的导电性，可以通过提高材料的电子电导率大大地提高正极材料的倍率性能。

Description

表面包覆锂离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种表面包覆锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池作为新一代的绿色环保电源，其具有能量密度大、电压高、自放电小、无记忆效应等优点，广泛应用于手机、相机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车及电动汽车等产品。随着电子产品的快速发展对锂离子电池的能量和功率要求越来越高，而锂离子电池的正极材料是锂离子电池的重要组成部分，是锂离子电池性能的主要影响因素。
目前应用最多的锂离子正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和镍钴锰酸锂三元材料。钴酸锂是最早工业化和商业化的材料，钴酸锂的电化学性能较为稳定、导电性能好、电压平台较高、循环性能好、压实密度能达到4.0g/cm3，但是钴酸锂的比容量相对较低，只有140mAh/g，并且钴毒性较大，钴资源稀缺，价格昂贵，且其过充安全性能较差。镍酸锂合成困难，材料的重现性差；层状锰酸锂虽然具有较高的比容量，但是结构稳定性较差，而尖晶石型的锰酸锂比容量较低，且高温下的结构有待加强。虽然镍钴锰酸锂三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂的性能表现，具有热稳定性好，高电位下比容量高和原料成本低等特点，但是三元材料电压平台较低、平台放电时间短、压实密度也较低、循环性能差。
为了改善正极材料，常用的方法是对正极材料表面进行包覆改性。目前，已报道的表面包覆包括：含镁、铝、锆、钛等金属氧化物，含铝、镁、钛、锆等金属氟化物等。金属氧化物可以有效阻止正极材料与电解液的反应，提高锂离子电池的循环性能；金属氟化物层能够抑制电解液的氢氟酸与活性物质的反应，降低电池在充放电循环中的容量衰减，但是金属化合物不具有良好的导电性，锂离子在此包覆层中的扩散速度较慢，导致正极材料导电能力变差，增大了电池内阻，影响了电池的放电倍率，降低了电池的电化学性能。
发明内容
本发明提供一种表面包覆锂离子电池正极材料及其制备方法，可以有效解决上述问题。
本发明提供一种表面包覆锂离子电池正极材料，包括：正极活性物质；以及导电材料，包覆于所述正极活性物质表面；所述导电材料为稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体。
进一步的，所述稀有金属为铌(Nb)、钽(Ta)、铋(Bi)、锑(Sb)、镧(La)、钇(Y)中的至少一种。
进一步的，所述稀有金属与所述钛酸锶纳米粉体的摩尔比为0.001～0.01:1。
进一步的，所述导电材料与所述正极活性物质的质量比为0.001～0.05:1。
进一步的，所述正极活性物质为镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂、镍钴酸锂以及镍锰酸锂中的至少一种。
本发明还提供一种表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，包括：
将稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体加入易挥发溶剂中进行高速搅拌和超声分散，形成一混合溶液；
将正极活性物质在高速搅拌的条件下加入所述混合溶液中，使混合溶液均匀包覆在正极活性物质表面，获得一混合物；
将所述混合物经过干燥，煅烧，冷却、粉碎并过筛得到所述表面包覆锂离子电池正极材料。
进一步的，所述高速搅拌的时间为20～40分钟，所述超声分散的时间为5～15分钟，并依次高速搅拌、超声分散循环3～5次。
进一步的，所述易挥发溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、丙酮及其混合物。
进一步的，所述煅烧的温度为500～800℃，时间为3～10h，煅烧气氛为空气或氧气气氛。
进一步的，所述正极活性物质为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2时，所述煅烧的温度为500～600℃。
进一步的，所述正极活性物质为LiFePO4或Li2CoO2时，所述煅烧的温度为700～800℃。
本发明提供的表面包覆锂离子电池正极材料及其制备方法，具有以下优点：
⑴在正极活性物质表面包覆稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体，使得包覆层在隔绝电解液与正极材料的同时使锂离子自由通过，从而在完成充放电的同时避免电解液的分解，提高了锂离子电池的循环性能及稳定性。
⑵掺杂改性稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体具有良好的导电性，可以通过提高材料的电子电导率大大地提高了正极材料的倍率性能。
⑶本发明合成工艺简单易行，设备要求低，原材料资源充足且廉价，无污染，有良好的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法流程图。
图2为本发明实施例1提供的表面包覆锂离子电池正极材料循环放电曲线图。
图3为本发明实施例1提供的表面包覆锂离子电池正极材料倍率放电曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明提供一种表面包覆锂离子电池正极材料，包括：正极活性物质；以及导电材料，包覆于所述正极活性物质表面；所述导电材料为稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体。
可以理解，当导电材料的含量较高时，虽然可以获得较好的导电性能，然后会影响锂离子电池正极材料的能量密度。当导电材料的含量较少时，又不能完全包覆正极活性物质表面。由于所述导电材料为纳米粉体，故，通过少量的导电材料就能完全包覆所述正极活性物质的表面。故，所述导电材料与所述正极活性物质的质量比为0.001～0.05:1。优选的，所述导电材料与所述正极活性物质的质量比为0.01～0.05:1。更优选的，导电材料与所述正极活性物质的质量比为0.02～0.04:1。
所述正极活性物质可以为常用的正极材料，如镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂、镍钴酸锂、镍锰酸锂及其混合物等。
所述稀有金属与所述钛酸锶纳米粉体的摩尔比可以为0.001～0.01:1。优选的，所述稀有金属与所述钛酸锶纳米粉体的摩尔比可以为0.001～0.005:1。更优选的，所述稀有金属与所述钛酸锶纳米粉体的摩尔比可以为0.001～0.003:1。通过稀有金属的掺杂一方面可以提高导电性能，另一方面还可以形成缺陷，有利于锂离子的自由通过。优选的，所述稀有金属可以为铌(Nb)、钽(Ta)、铋(Bi)、锑(Sb)、镧(La)、钇(Y)中的至少一种。所述稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体的粒径为10纳米～100纳米。
请参照图1，本发明还提供一种表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，包括：
S1，将稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体加入易挥发溶剂中进行高速搅拌和超声分散，形成一混合溶液；
S2，将正极活性物质在高速搅拌的条件下加入所述混合溶液中，使混合溶液均匀包覆在正极活性物质表面，获得一混合物；
S3，将所述混合物经过干燥，煅烧，冷却、粉碎并过筛得到所述表面包覆锂离子电池正极材料。
在步骤S1中，所述稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体可以通过将稀有金属氧化物和钛酸锶进行湿法混合，混合均匀后干燥，经过烧结、研磨后得到。所述烧结温度为1000～1300℃，烧结氛围为惰性气体，如氮气、氩气。优选的，述烧结温度为1100～1200℃，从而使烧结产物具有更为优异的导电性能。所述高速搅拌的时间为20～40分钟，所述超声分散的时间为5～15分钟。优选的，依次高速搅拌、超声分散循环3～5次。所述超声分散的频率为20kHz～40kHz。优选的，可以通过高频率(小范围剧烈震动)和低频率(大范围普通震动)的超声波相结合的方式进行，如20kHz分散5分钟再40kHz分散5分散，从而可以获得更好的分散。所述易挥发溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、丙酮及其混合物。
在步骤S2中，可以直接烘干，或过滤后烘干，从而获得所述混合物。
在步骤S3中，所述煅烧的温度为500～800℃，时间为3～10h，煅烧气氛为空气或氧气气氛。实验证明，当所述正极活性物质为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2时，所述煅烧的温度优选为500～600℃；当所述正极活性物质为LiFePO4或Li2CoO2时，所述煅烧的温度优选为700～800℃。
实施例1：
将La2O3和SrTiO3按Sr0.998La0.002TiO3的化学计量比配料进行湿法混合，混合均匀后干燥，经过烧结、研磨后得到镧掺杂改性的钛酸锶纳米粉体；将镧掺杂改性的钛酸锶纳米粉体加入无水乙醇中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀溶液；将正极活性物质LiNi0.8Co0.15Al0.05O2在高速搅拌的条件下加入上述的混合溶液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质LiNi0.8Co0.15Al0.05O2表面，然后直接烘干，获得一混合物，将所述混合物干燥6h，将干燥后的固体材料在500℃下煅烧10h后，冷却、粉碎、过筛。
请参照图2-3，材料的电化学性能测试采用蓝电电池测试系统在25℃下进行测试，测试电压范围为3V～4.3V；倍率性能测试条件：0.2C充放电一次，0.2C充电0.5C/1C/5C/10C各放电一次；循环性能测试条件：以1C倍率进行充放电，循环500周，考察容量保持率。材料在0.2C倍率下的放电比容量为193.3mAh/g，0.5C倍率下放电比容量为187mAh/g，1C倍率下的放电比容量为182mAh/g，5C倍率下的放电比容量为171mAh/g，10C倍率下的放电比容量为164mAh/g，10C/0.2C放电比率为84.8％，倍率性能较好。1C充放电循环500周容量保持率大于93％，循环性能良好。
实施例2：
将Nb2O5和SrTiO3按SrTi0.997Nb0.003O3的化学计量比配料进行湿法混合，混合均匀后干燥，经过烧结、研磨后得到铌掺杂改性的钛酸锶纳米粉体；将铌掺杂改性的钛酸锶纳米粉体加入去离子水中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀混合溶液；将活性物质LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在高速搅拌的条件下加入上述的混合溶液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2表面，直接烘干后将混合物干燥8h，将干燥后的固体材料在600℃下煅烧8h后，冷却、粉碎、过筛得到正极材料。
实验证明，上述材料与实施例1所获得的材料相同，也具有良好的倍率性能及循环性能。
实施例3
将Y2O3和SrTiO3按Sr0.999Y0.001TiO3的化学计量比配料进行湿法混合，混合均匀后干燥，经过烧结、研磨后得到钇掺杂改性的钛酸锶纳米粉体；将钇掺杂改性的钛酸锶纳米粉体加入无水乙醇中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀混合液；将活性物质Li2CoO2在高速搅拌的条件下加入上述的混合溶液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质Li2CoO2表面，然后将混合物干燥7h，将干燥后的固体材料在800℃下煅烧6h后，冷却、粉碎、过筛得到正极材料。
实验证明，上述材料与实施例1所获得的材料相同，也具有良好的倍率性能及循环性能。
实施例4：
将Bi2O3和SrTiO3按Sr0.999Y0.001TiO3的化学计量比配料进行湿法混合，混合均匀后干燥，经过烧结、研磨后得到钇掺杂改性的钛酸锶纳米粉体；将钇掺杂改性的钛酸锶纳米粉体加入无水乙醇中进行高速搅拌30分钟，然后进行超声10分钟，依次高速搅拌、超声循环3～5次，混合均匀形成均匀混合液；将活性物质LiFePO4在高速搅拌的条件下加入上述的混合溶液中，使包覆材料均匀包覆在活性物质LiFePO4表面，然后将混合物干燥7h，将干燥后的固体材料在800℃下煅烧6h后，冷却、粉碎、过筛得到正极材料。
实验证明，上述材料与实施例1所获得的材料相同，也具有良好的倍率性能及循环性能。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种表面包覆锂离子电池正极材料，包括：
正极活性物质；以及
导电材料，包覆于所述正极活性物质表面；
其特征在于，所述导电材料为稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体。
2.根据权利要求1所述的表面包覆锂离子电池正极材料，其特征在于，所述稀有金属为铌(Nb)、钽(Ta)、铋(Bi)、锑(Sb)、镧(La)、钇(Y)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的表面包覆锂离子电池正极材料，其特征在于，所述稀有金属与所述钛酸锶纳米粉体的摩尔比为0.001～0.01:1。
4.根据权利要求1所述的表面包覆锂离子电池正极材料，其特征在于，所述导电材料与所述正极活性物质的质量比为0.001～0.05:1。
5.根据权利要求1所述的表面包覆锂离子电池正极材料，其特征在于，所述正极活性物质为镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂、镍钴酸锂以及镍锰酸锂中的至少一种。
6.一种表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括：
将稀有金属掺杂的钛酸锶纳米粉体加入易挥发溶剂中进行高速搅拌和超声分散，形成一混合溶液；
将正极活性物质在高速搅拌的条件下加入所述混合溶液中，使混合溶液均匀包覆在正极活性物质表面，获得一混合物；
将所述混合物经过干燥，煅烧，冷却、粉碎并过筛得到所述表面包覆锂离子电池正极材料。
7.根据权利要求6所述的表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述高速搅拌的时间为20～40分钟，所述超声分散的时间为5～15分钟，并依次高速搅拌、超声分散循环3～5次。
8.根据权利要求6所述的表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述易挥发溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、丙酮及其混合物。
9.根据权利要求6所述的表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为500～800℃，时间为3～10h，煅烧气氛为空气或氧气气氛。
10.根据权利要求9所述的表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述正极活性物质为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2时，所述煅烧的温度为500～600℃。
11.根据权利要求9所述的表面包覆锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述正极活性物质为LiFePO4或Li2CoO2时，所述煅烧的温度为700～800℃。
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