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高稳定性氧化钪包覆的锰基锂离子电池正极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开金属氧化物包覆锰基锂离子电池正极材料及制备方法，其先按锰基锂离子电池正极材料金属元素比例对应的物质的量之比称取相应的金属元素的醋酸盐，室温搅拌加入草酸沉淀剂，得到草酸盐前驱体，经烧结，得到正极材料；称取Sc(NO3)3·6H2O，将正极材料粉末分散到硝酸钪溶液中，搅拌，干燥，得到Sc2O3包覆锂离子电池正极材料的前驱体；将Sc2O3包覆锂离子电池正极材料的前驱体热处理，即得到Sc2O3包覆的锰基锂离子电池正极材料。本发明减少电解液对正极材料的侵蚀，具有更好的循环性能；其次在活性材料表面形成致密均一的包覆层，降低了锂离子消耗，提高了容量和改善倍率性能。

Description

高稳定性氧化钪包覆的锰基锂离子电池正极材料及制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池正极材料领域，涉及高稳定氧化钪包覆的锰基锂离子电池正极材料及制备方法。
背景技术
当前，全球能源问题日益突出，各国政府从提高未来国家汽车产业竞争力，保持经济、社会可持续发展的战略高度，积极推动以电动汽车为主的新能源汽车的发展。动力电池系统是电动汽车的重要组成部分，直接影响着电动汽车的起动、加速、行驶里程等多项性能，因此，锂离子电池作为动力能源电池正在受到广泛的关注。随着不断发展，要求锂离子电池具有较高的能量密度、较低的生产成本，比较好的循环性能。
最早应用于工业化生产的钴酸锂材料的电化学性能比较稳定，导电性能较好、循环性能好，尤其是压实密度能达到4.0g/cm3，但其过充安全性能较差。锰酸锂虽然具有较高的比容量，但结构稳定性较差，镍掺杂的锰酸锂因具有较高的电压平台对应的能量密度较高，但高温下的循环性能较差。三元材料具有热稳定性好、能量密度高等优点，但是循环性能、压实密度、安全性能等方面较差。尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4以及LiMn2O4材料，由于锰基材料中金属元素尤其是Mn离子易溶出并在负极表面沉积，阻止了锂离子的快速扩散，并导致电池在循环过程中容量衰减较快。
为了抑制正极材料和电解液接触，减少电解液对正极材料的侵蚀，常用的方法是利用金属元素对正极材料进行包覆，具有更高的放电比容量，更好的倍率和循环性能，具有电解液与电极材料的界面电阻更小。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供氧化钪包覆的锰基锂离子电池正极材料及制备方法，有效的改善了电解液与正极材料的界面膜阻抗，并能显著改善循环及倍率性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
高稳定性氧化钪包覆锰基锂离子电池正极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)按锰基锂离子电池正极材料金属元素比例对应的物质的量之比称取相应的金属元素的醋酸盐，溶于去离子水，室温搅拌6-8h，醋酸盐总浓度为0.25-0.5mol/L，加入浓度为0.1-0.3mol/L的草酸溶液作为沉淀剂，共沉淀物干燥得到草酸盐前驱体，草酸盐前驱体经烧结，冷却得到正极材料粉末；
(2)按照Sc2O3占正极材料质量分数0.5-2％的量称取Sc(NO3)3·6H2O，溶于去离子水，配制成浓度为0.01-0.06mol/L的硝酸钪溶液，将正极材料粉末分散到硝酸钪溶液中，用磁力搅拌器在室温下搅拌0.5h，干燥，得到Sc2O3包覆锂离子电池正极材料的前驱体；
(3)将Sc2O3包覆锂离子电池正极材料的前驱体在400-600℃下热处理3h，即得到Sc2O3包覆的锰基锂离子电池正极材料。
进一步方案，所述步骤(1)中烧结温度为820-900℃，烧结时间为12-20h。
进一步方案，所述步骤(1)中干燥条件为：80-100℃烘箱中干燥8-10h。
进一步方案，所述步骤(2)中干燥条件为：80-100℃烘箱中干燥8-10h。
进一步方案，所述锰基锂离子电池正极材料为锰酸锂、镍钴锰酸锂、富锂或镍锰酸锂中的一种。
本发明还提供一种氧化钪包覆锰基锂离子电池正极材料。
本发明的有益效果：
1、本发明主要是利用高稳定性氧化钪包覆在锰基锂离子电池正极材料的表面，隔绝正极材料和电解液接触，减少电解液对正极材料的侵蚀，以及锰离子的溶出，从而具有更好的循环性能；其次在活性材料表面形成致密均一的包覆层，抑制了电解液与电极材料活性材料的反应，即降低了电解液与电极材料的界面电阻；同时包覆层抑制了在锰基活性材料表面形成钝化膜，降低了锂离子消耗，提高了容量和改善倍率性能；
2、本发明得到的氧化钪包覆的锰基锂离子电池正极材料具有放电容量高和制备简单便捷的特点，通过本发明提供的方法制备锂离子电池能够抑制正极材料和电解液接触，减少电解液对正极材料的侵蚀，从而具有更高的放电比容量，更好的倍率和循环性能，电解液与电极材料的界面电阻更小。
附图说明
图1为本发明实施例1中包覆质量分数0.5％Sc2O3镍锰酸锂材料与未包覆的倍率性能对比图。
图2为本发明实施例1中包覆质量分数0.5％Sc2O3镍锰酸锂材料与未包覆的循环性能对比图。
图3为本发明实施例2中包覆质量分数2％Sc2O3富锂材料与未包覆的倍率性能对比图。
图4为本发明实施例2中包覆质量分数2％Sc2O3富锂材料与未包覆的循环性能对比图。
具体实施方式
以为了对本发明有更深的了解，下面结合实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，但是本方面的实施例仅仅是为了解释本发明，并非限制本发明，本领域技术人员在有没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，均属于本发明的保护范围。
实施例1
质量分数0.5％Sc2O3包覆的镍锰酸锂的制备
将2.09g LiCH3COO·2H2O、2.13g Ni(CH3COO)2·2H2O、7.35g Mn(CH3COO)2·4H2O溶于200mL去离子水中，将1.8g的草酸溶于200mL去离子水中,形成草酸溶液。将金属盐溶液快速倒入草酸溶液中进行6h搅拌，之后在80℃下蒸发10h，得到前驱体沉淀。将前驱体沉淀在空气中900℃恒温12h，并进行700℃退火18h，制得LiNi0.5Mn1.5O4基体。称量0.09g Sc(NO3)3·6H2O溶于10mL去离子水，配制成硝酸钪溶液，将LiNi0.5Mn1.5O4基体粉末分散到硝酸钪溶液中，用磁力搅拌器在室温下搅拌0.5h，80℃下干燥10h，随后在600℃下热处理3h，即得到目标高性能Sc2O3包覆的镍锰酸锂锂离子电池正极材料。
将所制备的Sc2O3包覆的镍锰酸锂材料与未包覆镍锰酸锂材料装配成2016型扣式电池进行电化学测试，图1、图2分别为两种材料的倍率及循环性能对比。其中未包覆的镍锰酸锂材料不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C、5C)下充放电，对应的放电比容量分别为125.8、125.1、124.6、123.8、120.4mAh/g。5C循环200周容量保持率为85.6％。本专利提供的方法得到Sc2O3包覆镍锰酸锂材料不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C、5C)下充放电，对应的放电比容量分别为131.3、131.0、130.7、130.1、128.9mAh/g。5C循环200周容量保持率为96.8％。这是因为在正极镍锰酸锂材料表面包覆高稳定性氧化物，抑制了电解液与电极活性材料的反应，降低了电解液与电极材料的界面电阻，减小了包覆材料的膜阻抗，倍率性能和循环性能提高了。
实施例2
质量分数1％Sc2O3包覆富锂层状锂离子电池正极材料Li1.2Ni0.25Mn0.75O2的制备
将2.52g LiCH3COO·2H2O、1.06g Ni(CH3COO)2·2H2O、3.67g Mn(CH3COO)2·4H2O溶于200mL去离子水中，将1.98g的草酸溶于100mL去离子水中，形成草酸溶液。将金属盐溶液快速倒入草酸溶液中进行6h搅拌，之后在80℃下蒸发10h，得到前驱体沉淀。将前驱物在空气中820℃煅烧18h，制得富锂层状材料Li1.2Ni0.25Mn0.75O2基体。称量0.09g Sc(NO3)3·6H2O溶于10mL去离子水，配制成硝酸钪溶液，将Li1.2Ni0.25Mn0.75O2基体粉末分散到硝酸钪溶液中，用磁力搅拌器在室温下搅拌0.5h，90℃下干燥8h，随后在400℃下热处理3h，即得到目标高性能Sc2O3包覆的富锂锂离子电池正极材料。
将所制备的Sc2O3包覆的富锂层状材料与未包覆的富锂层状材料装配成2016型扣式电池进行电化学测试，如图3和图4所示，结果显示未包覆的富锂层状材料不同倍率(0.2C、0.5C、1C、3C)下充放电，对应的放电比容量分别为231.1、215.2、202.5、118.3mAh/g。1C循环100周容量保持率为73.5％。本专利提供的方法氧化钪包覆的富锂层状材料不同倍率(0.2C、0.5C、1C、3C)下充放电，对应的放电比容量分别为254.4、241.3、233.4、222.3mAh/g。1C循环200周容量保持率为76.5％。
实施例3
质量分数2％Sc2O3包覆三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备
将2.09g LiCH3COO·2H2O、1.4g Ni(CH3COO)2·2H2O、1.62g Mn(CH3COO)2·4H2O、1.41g Co(CH3COO)2·4H2O溶于200mL去离子水中，将2.7g的草酸溶于100mL去离子水中，形成草酸溶液。将金属盐溶液快速倒入草酸溶液中进行6h搅拌，之后在80℃下蒸发10h，得到前驱体沉淀。将前驱物在空气中850℃煅烧20h，制得三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2基体。称量0.19g Sc(NO3)3·6H2O溶于10mL去离子水，配制成硝酸钪溶液，将LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2基体粉末分散到硝酸钪溶液中，用磁力搅拌器在室温下搅拌0.5h，100℃下干燥9h，随后在500℃下热处理3h，即得到目标高性能Sc2O3包覆的三元锂离子电池正极材料。
将所制备的氧化钪掺杂的三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2装配成2016型扣式电池进行电化学测试，得到的氧化钪包覆的三元材料在不同倍率(0.2C、0.5C、1C、2C、3C)下充放电，对应的放电比容量分别为159.2、152.7、144.5、139.4、131.2mAh/g。3C循环100周容量保持率94％。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.高稳定性氧化钪包覆锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)按锰基锂离子电池正极材料金属元素比例对应的物质的量之比称取相应的金属元素的醋酸盐，溶于去离子水，室温搅拌6-8h，醋酸盐总浓度为0.25-0.5mol/L，加入浓度为0.1-0.3mol/L的草酸溶液作为沉淀剂，共沉淀物干燥得到草酸盐前驱体，草酸盐前驱体经烧结，冷却得到正极材料粉末；
(2)按照Sc2O3占正极材料质量分数0.5-2％的量称取Sc(NO3)3·6H2O，溶于去离子水，配制成浓度为0.01-0.06mol/L的硝酸钪溶液，将正极材料粉末分散到硝酸钪溶液中，用磁力搅拌器在室温下搅拌0.5h，干燥，得到Sc2O3包覆锂离子电池正极材料的前驱体；
(3)将Sc2O3包覆锂离子电池正极材料的前驱体在400-600℃下热处理3h，即得到Sc2O3包覆的锰基锂离子电池正极材料。
2.根据权利要求1所述的高稳定性金属氧化物包覆锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中烧结温度为820-900℃，烧结时间为12-20h。
3.根据权利要求1所述的高稳定性金属氧化物包覆锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中干燥条件为：80-100℃烘箱中干燥8-10h。
4.根据权利要求1所述的高稳定性金属氧化物包覆锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中干燥条件为：80-100℃烘箱中干燥8-10h。
5.根据权利要求1所述的氧化钪包覆锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述锰基锂离子电池正极材料为锰酸锂、镍钴锰酸锂、富锂或镍锰酸锂中的一种。
6.一种权利要求1-4任一项制备方法制得的氧化钪包覆锰基锂离子电池正极材料。
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