CN105742616B - 一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池正极材料，特指一种锂离子电池正极材料及其制备方法，属于新能源材料领域。将Li1+aNibTicNbdO2放入到NaOH溶液中，再加入Bi(NO3)3和Ca(NO3)2，在50‑80℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在400‑700℃温度下加热5‑15h，得到CaO/Bi2O3/Li1+ aNibTicNbdO2。所述正极材料经过XRD测试，表明具有无序岩盐结构；电化学性能测试显示，该材料在1.5‑4.5V之间充放电，首次放电容量高达262mAhg‑1，并且具有良好的倍率性能和循环性能，1C放电容量达到205mAhg‑1，1C循环50次后容量保持率为94.5％。

Description

一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极材料，特指一种锂离子电池正极材料及其制备方法，属于新能源材料领域。
背景技术
锂离子电池因为其能量密度高、循环性能好、绿色无污染等优点，自上个世纪90年代问世以后，就得到迅速发展，近年来电动汽车的快速发展，对锂离子电池又提出了新的要求。
目前商业化的锂离子电池正极材料主要是层状有序的镍、钴、锰氧化物，以及磷酸盐体系的正极材料，这些正极材料都有一个共同点，就是阳离子在晶格中是有序排列的，但是这一类的正极材料目前普遍存在着放电比容量低，能量密度低，不能满足目前电动汽车对李离子电池正极材料的要求。
无序岩盐结构正极材料早在多年前就被研究过，之前学者们认为阳离子混排或无序排列不利于锂离子的迁移，并且放电容量低，不具备实际应用价值；不过近年来，美国MIT的Ceder等人研究发现，当无序岩盐结构正极材料中的Li含量增加到一定程度后，无序岩盐结构正极材料的电化学性能得到显著提升，但是就目前报道的结果来看，无序岩盐结构正极材料的电化学性能还存在着一些问题，例如倍率性能较差，循环性能尚需提高等。
发明内容
本发明提供了一种新型的锂离子电池用富锂型无序岩盐结构正极材料，氧化钙氧化铋共同包覆锂镍钛铌复合氧化物，分子式为CaO/Bi2O3/Li1+aNibTicNbdO2，分子式中Li1+ aNibTicNbdO2中，0.1≤a≤0.3，0.3≤b≤0.5，0.2≤c≤0.4，0.2≤d≤0.4，并且a+b+c+d＝1.0。
本发明还提供一种上述正极材料的制备方法，具体的发明内容如下：
(1)按照化学计量比称取锂盐，镍盐，钛盐，铌盐，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值，然后加入柠檬酸混合，在旋转蒸发器中反应形成溶胶，然后真空除水直至形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，干燥后得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在一定的温度下预处理得到絮状物，研磨后，在放入马弗炉中焙烧得到样品。
(2)将步骤1中得到的样品Li1+aNibTicNbdO2放入到NaOH溶液中，再加入Bi(NO3)3和Ca(NO3)2，在50-80℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在400-700℃温度下加热5-15h，得到本发明产品CaO/Bi2O3/Li1+aNibTicNbdO2。
(3)步骤(1)中的锂盐为碳酸锂、乙酸锂，草酸锂，硝酸锂，硫酸锂或氢氧化锂；镍盐为硫酸镍、氯化镍、硝酸镍或醋酸镍；钛盐为钛酸四丁酯，钛酸乙酯或四乙氧基钛；铌盐为草酸铌，乙酸铌，硝酸铌。
(4)步骤(1)中的pH值的范围是7-12；柠檬酸的摩尔数和原料金属盐金属离子的总摩尔数之比为1.2-1.5；旋转蒸发时间为2-5h，真空除水时间为1-3h，真空除水温度为50-70℃；凝胶干燥时间为6-12h，温度为120-150℃；预处理的温度为350-550℃，时间为2-8h；最后烧结的温度为750-950℃，时间为8-20h。
(5)步骤(2)中NaOH溶液的质量分数浓度为20-40％，在最终产品中Bi2O3的包覆量占正极材料总质量的百分比为0.5-3％，CaO的包覆量占正极材料总质量的百分比为0.5-2％。
经过上述步骤制备的氧化钙氧化铋共同包覆锂镍钛铌复合氧化物正极材料经过XRD测试，表明具有无序岩盐结构(如图1所示)；电化学性能测试显示，该材料在1.5-4.5V之间充放电，首次放电容量高达262mAhg-1(如图2所示)，并且具有良好的倍率性能和循环性能，1C放电容量达到205mAhg-1，1C循环50次后容量保持率为94.5％，如图3所示。
附图说明
图1为制备的CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2的XRD图。
图2为制备的CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2的首次充放电曲线图。
图3为制备的CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2的1C充放循环性能图。
具体实施方式
实施例1：CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2
按照化学计量比称取碳酸锂，硝酸镍，钛酸四丁酯，硝酸铌，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值为7.0，然后加入一定比例的柠檬酸混合，柠檬酸的摩尔数和金属离子的总摩尔数之比为1.2，在旋转蒸发器中反应2h，形成溶胶，然后真空50℃，3h除水，形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，经120℃干燥12h，得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在350℃温度下预处理8h，研磨后，在放入马弗炉中750℃焙烧20h得到Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2；将Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2置于质量分数浓度为20％的NaOH溶液中，在加入一定量的Ca(NO3)2和Bi(NO3)3，在50℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在400℃温度下加热15h，得到本发明产品CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.3Ti0.2Nb0.4O2，其中Bi2O3的质量分数为0.5％，CaO的质量分数2％。
实施例2：CaO/Bi2O3/Li1.3Ni0.3Ti0.2Nb0.2O2
按照化学计量比称取醋酸锂，硫酸镍，钛酸乙酯，草酸铌，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值为11，然后加入一定比例的柠檬酸混合，柠檬酸的摩尔数和金属离子的总摩尔数之比为1.5，在旋转蒸发器中反应5h，形成溶胶，然后真空70℃，1h除水，形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，经150℃干燥6h，得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在550℃温度下预处理2h，研磨后，在放入马弗炉中950℃焙烧8h得到Li1.3Ni0.3Ti0.2Nb0.2O2。将Li1.3Ni0.3Ti0.2Nb0.2O2置于质量分数溶度为40％的NaOH溶液中，在加入一定量的Ca(NO3)2和Bi(NO3)3，在80℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在700℃温度下加热5h，得到本发明产品CaO/Bi2O3/Li1.3Ni0.3Ti0.2Nb0.2O2，其中Bi2O3的质量分数为2％，CaO的质量分数0.5％。
实施例3：CaO/Bi2O3/Li1.2Ni0.2Ti0.4Nb0.2O2
按照化学计量比称取硝酸锂，氯化镍，四乙氧基钛，硝酸铌，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值为8.0，然后加入一定比例的柠檬酸混合，柠檬酸的摩尔数和金属离子的总摩尔数之比为1.3，在旋转蒸发器中反应3h，形成溶胶，然后真空60℃，2h除水，形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，经140℃干燥10h，得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在450℃温度下预处理6h，研磨后，在放入马弗炉中850℃焙烧12h得到Li1.2Ni0.2Ti0.4Nb0.2O2。将Li1.2Ni0.2Ti0.4Nb0.2O2置于质量分数溶度为30％的NaOH溶液中，在加入一定量的Ca(NO3)2和Bi(NO3)3，在60℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在500℃温度下加热10h，得到本发明产品CaO/Bi2O3/Li1.2Ni0.2Ti0.4Nb0.2O2，其中Bi2O3的质量分数为1％，CaO的质量分数1％。
实施例4：CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.5Ti0.1Nb0.3O2
按照化学计量比称取草酸锂，硝酸镍，钛酸四丁酯，乙酸铌，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值为10.0，然后加入一定比例的柠檬酸混合，柠檬酸的摩尔数和金属离子的总摩尔数之比为1.4，在旋转蒸发器中反应4h，形成溶胶，然后真空55℃，2h除水，形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，经140℃干燥8h，得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在400℃温度下预处理6h，研磨后，在放入马弗炉中800℃焙烧16h得到Li1.1Ni0.5Ti0.1Nb0.3O2。将Li1.1Ni0.5Ti0.1Nb0.3O2置于质量分数溶度为25％的NaOH溶液中，在加入一定量的Ca(NO3)2和Bi(NO3)3，在70℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在600℃温度下加热12h，得到本发明产品CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.5Ti0.1Nb0.3O2，其中Bi2O3的质量分数为1.5％，CaO的质量分数1.3％。
实施例5：CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.2Ti0.5Nb0.2O2
按照化学计量比称取碳酸锂，氯化镍，钛酸四丁酯，草酸铌，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值为10.0，然后加入一定比例的柠檬酸混合，柠檬酸的摩尔数和金属离子的总摩尔数之比为1.3，在旋转蒸发器中反应2h，形成溶胶，然后真空60℃，3h除水，形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，经140℃干燥12h，得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在550℃温度下预处理8h，研磨后，在放入马弗炉中900℃焙烧14h得到Li1.1Ni0.2Ti0.5Nb0.2O2。将Li1.1Ni0.2Ti0.5Nb0.2O2置于质量分数溶度为35％的NaOH溶液中，在加入一定量的Ca(NO3)2和Bi(NO3)3，在60℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在700℃温度下加热9h，得到本发明产品CaO/Bi2O3/Li1.1Ni0.2Ti0.5Nb0.2O2，其中Bi2O3的质量分数为1.8％，CaO的质量分数1.7％。

Claims (6)

1.一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料的制备方法，所述正极材料为氧化钙氧化铋共同包覆锂镍钛铌复合氧化物，分子式为CaO/Bi2O3/Li1+aNibTicNbdO2，分子式中Li1+ aNibTicNbdO2中，0.1≤a≤0.3，0.3≤b≤0.5，0.2≤c≤0.4，0.2≤d≤0.4，并且a+b+c+d＝1.0，其特征在于，具体步骤如下：将Li1+aNibTicNbdO2放入到NaOH溶液中，再加入Bi(NO3)3和Ca(NO3)2，在50-80℃的温度下不断搅拌，最后过滤，将固相物质在400-700℃温度下加热5-15h，得到CaO/Bi2O3/Li1+aNibTicNbdO2。
2.如权利要求1所述的一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述正极材料在1.5-4.5V之间充放电，首次放电容量高达262mAhg-1，并且具有良好的倍率性能和循环性能，1C放电容量达到205mAhg-1，1C循环50次后容量保持率为94.5％。
3.如权利要求1所述的一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于所述Li1+aNibTicNbdO2的制备方法为：按照化学计量比称取锂盐，镍盐，钛盐，铌盐，将它们溶于去离子水中，加入氨水调节pH值，然后加入柠檬酸混合，在旋转蒸发器中反应形成溶胶，然后真空除水直至形成凝胶，取出凝胶转移至真空干燥箱中，干燥后得到蓬松的干凝胶，最后将干凝胶在一定的温度下预处理得到絮状物，研磨后，在放入马弗炉中焙烧得到样品。
4.如权利要求3所述的一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂盐为碳酸锂、乙酸锂，草酸锂，硝酸锂，硫酸锂或氢氧化锂；镍盐为硫酸镍、氯化镍、硝酸镍或醋酸镍；钛盐为钛酸四丁酯，钛酸乙酯或四乙氧基钛；铌盐为草酸铌，乙酸铌，硝酸铌。
5.如权利要求3所述的一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述pH值的范围是7-12；柠檬酸的摩尔数和原料金属盐金属离子的总摩尔数之比为1.2-1.5；旋转蒸发时间为2-5h，真空除水时间为1-3h，真空除水温度为50-70℃；凝胶干燥时间为6-12h，温度为120-150℃；预处理的温度为350-550℃，时间为2-8h；最后烧结的温度为750-950℃，时间为8-20h。
6.如权利要求1所述的一种无序岩盐结构的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述NaOH溶液的质量分数浓度为20-40％，在最终产品中Bi2O3的包覆量占正极材料总质量的百分比为0.5-3％，CaO的包覆量占正极材料总质量的百分比为0.5-2％。
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