CN106602055A - 一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法。本发明制备方法包括以下步骤：将大颗粒球形镍钴锰前驱体磨成碎片，与金属添加剂加入水和乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，喷雾干燥法得到混合物A；将混合物A与锂源混合球磨，600～1200℃烧结8～30h，冷却，气流粉碎，过筛，得到小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料，其颗粒尺寸小且均一，平均尺寸为2～4.5μm，比表面积为0.5～1.5m2/g，有效提高了正极材料的结构稳定性。且本发明的镍钴锰酸锂正极材料为单晶形貌，能够有效改善三元材料的高温产气问题，同时提高电池极片的压实密度，使得材料的能量密度得到极大提升，具有优异电化学性能。

Description

一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，国家推行了一系列的关于新能源汽车的政策，这极大地推动着动力电池正极材料的迅速发展。由于轿车对高比能量电池的需求以及客车使用高功率长寿命电池的原因，其技术路线使三元材料成为了正极材料较好的选择。可见，在动力电池市场中三元材料面临着巨大的机遇。2016年正极材料用于动力电池的需求量进一步提升，特别是性能优异的三元材料在市场占有率得到进一步扩大。
目前，随着三元材料不断地运用于高电压电池和动力电池领域，其高温产气导致电池膨胀的问题日益得到人们的重视，因此需要制备一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂材料解决这一问题。但现今普遍使用小颗粒前驱体制备小颗粒单晶镍钴锰酸锂三元材料，而小颗粒前驱体存在产量低和成本高问题，从而导致小颗粒单晶镍钴锰酸锂三元材料的产量降低和成本增加。同时，大颗粒球形前驱体的市场使用率不断下降，导致存量较大，难以消化。因此需要一种通过使用大颗粒球形前驱体制备小颗粒单晶镍钴锰酸锂三元材料的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种利用大颗粒球形前驱体制备小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法。
本发明另一目的在于提供上述方法制备的具有优异电化学性能的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种利用大颗粒球形前驱体制备小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：
将大颗粒球形镍钴锰前驱体磨成碎片，与金属添加剂加入水和乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，喷雾干燥法得到混合物A；将混合物A与锂源混合球磨，600～1200℃烧结8～30h，冷却，气流粉碎，过筛，得到小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料。
本发明方法首先将碎片与金属添加剂于混合溶液中有效均匀混合，再通过喷雾干燥法使大颗粒球形镍钴锰前驱体碎片组装成球形结构，以达到将金属添加剂嵌入球形结构内部的目的。
所述磨成碎片采用机械细磨即可。
进一步地，所述的大颗粒球形镍钴锰前驱体为镍钴锰氢氧化物或镍钴锰氧化物。
进一步地，所述的大颗粒球形镍钴锰前驱体的平均粒径为10～20μm。
进一步地，所述的金属添加剂为低成本和普遍易买的二氧化钛、氧化镁、氢氧化镁、氧化铝、异丙醇铝、氢氧化铝、二氧化锆、三氧化二硼、二氧化锡、锡酸钠、氯化锡和三氧化二锑中的至少一种。
进一步地，所述的金属添加剂的总加入量占大颗粒球形镍钴锰前驱体质量的0.5～5％。
进一步地，所述水和乙醇的混合溶液中乙醇体积含量为10～90％。
进一步地，所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂和氟化锂中的至少一种。
进一步地，所述锂源的加入量占大颗粒球形镍钴锰前驱体质量的40～50％。
本发明制备方法使用具有高产量和低成本特性的大颗粒球形镍钴锰前驱体，及低成本、普遍易买的金属添加剂，将其加入到水和乙醇的混合溶液中进行均匀搅拌，接着通过喷雾干燥法使得前驱体碎片组装成球形以达到金属添加剂嵌入到球形内部的目的，解决了干法混合中金属添加剂只包覆在前驱体表面而无法进入到前驱体内部的问题，使制备得到的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料颗粒尺寸小且均一，提高了正极材料的结构稳定性。
本发明还提供上述方法制备得到的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料，其颗粒尺寸小且均一，平均尺寸为2～4.5μm，比表面积为0.5～1.5m2/g，有效提高了正极材料的结构稳定性。且本发明的镍钴锰酸锂正极材料为单晶形貌，能够有效改善三元材料的高温产气问题，同时提高电池极片的压实密度，使得材料的能量密度得到极大提升，具有优异电化学性能。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明所使用的前驱体为具有高产量和低成本特性的大颗粒球形镍钴锰前驱体，能够有效地提高小颗粒单晶镍钴锰酸锂的产量。
(2)本发明所使用的金属添加剂为低成本、普遍易买的添加剂，免去了使用高分散纳米金属添加剂的高成本，从而降低小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制造成本。
(3)本发明将细磨后的镍钴锰前驱体碎片和金属添加剂加入到水和乙醇的混合溶剂中进行搅拌均匀，很好地解决了干法掺杂不均匀的问题。
(4)本发明通过喷雾干燥法使得前驱体碎片组装成球形以达到金属添加剂嵌入到球形内部的目的，解决了干法混合中金属添加剂只包覆在前驱体表面而无法进入到前驱体内部的问题，使制备得到的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料颗粒尺寸小且均一，提高了正极材料的结构稳定性。
(5)本发明制备的镍钴锰酸锂正极材料为单晶形貌，能够有效改善三元材料的高温产气问题，同时提高电池极片的压实密度，使得材料的能量密度得到极大提升，具有优异电化学性能。
附图说明
图1是实施例1正极材料的SEM图；
图2是实施例2正极材料的SEM图；
图3是实施例3正极材料的SEM图；
图4是实施例4正极材料的SEM图；
图5是对比例1正极材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例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。
下列实施例中使用的试剂均可从商业渠道获得。
实施例1
将大颗粒球形镍钴锰前驱体(Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2，平均粒径为12μm)进行机械细磨磨成碎片，然后使其和氧化铝(氧化铝含量为0.6％)加入到水和乙醇混合溶剂(乙醇体积含量30％)中进行均匀搅拌，接着通过喷雾干燥法使得前驱体碎片组装成球形以达到金属添加剂嵌入到球形内部的目的，得到混合物A，然后将混合物A和碳酸锂(碳酸锂质量含量为43％)进行球磨混合，所得混合物在960℃下烧结14h，冷却至室温后进行气流粉碎、过400目筛，得到镍钴锰酸锂正极材料，扫面电镜如图1所示，正极材料为单晶颗粒且颗粒均一，粒径约为3.6μm，比表面积为0.8m2/g。
实施例2
将大颗粒球形镍钴锰前驱体(Ni0.5Co0.25Mn0.25(OH)2，平均粒径为15μm)进行机械细磨磨成碎片，然后使其和三氧化二锑(三氧化二锑质量含量为1％)加入到水和乙醇混合溶剂(乙醇体积含量为40％)中进行均匀搅拌，接着通过喷雾干燥法使得前驱体碎片组装成球形以达到金属添加剂嵌入到球形内部的目的，得到混合物A，然后将混合物A和碳酸锂(碳酸锂质量含量为45％)进行球磨混合，所得混合物在910℃下烧结15h，冷却至室温后进行气流粉碎、过400目筛，得到镍钴锰酸锂正极材料，扫面电镜如图2所示，正极材料为单晶颗粒且颗粒均一，粒径约3.2μm，比表面积为0.9m2/g。
实施例3
将大颗粒球形镍钴锰前驱体(Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2，平均粒径为18μm)进行机械细磨磨成碎片，然后使其和二氧化锆(二氧化锆质量含量为1.5％)加入到水和乙醇混合溶剂(乙醇体积含量为50％)中进行均匀搅拌，接着通过喷雾干燥法使得前驱体碎片组装成球形以达到金属添加剂嵌入到球形内部的目的，得到混合物A，然后将混合物A和醋酸锂(醋酸锂质量含量为48％)进行球磨混合，所得混合物在990℃下烧结18h，冷却至室温后进行气流粉碎、过400目筛，得到镍钴锰酸锂正极材料，扫面电镜如图3所示，正极材料为单晶颗粒且颗粒均一，粒径约为2.3μm，比表面积为1.1m2/g。
实施例4
将大颗粒球形镍钴锰前驱体(Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2，平均粒径为11μm)进行机械细磨磨成碎片，然后使其和三氧化二硼(三氧化二硼质量含量为0.7％)加入到水和乙醇混合溶剂(乙醇体积含量为60％)中进行均匀搅拌，接着通过喷雾干燥法使得前驱体碎片组装成球形以达到金属添加剂嵌入到球形内部的目的，得到混合物A，然后将混合物A和氢氧化锂(氢氧化锂质量含量为43％)进行球磨混合，所得混合物在800℃下烧结8h，冷却至室温后进行气流粉碎、过400目筛，得到镍钴锰酸锂正极材料，扫面电镜如图4所示，正极材料为单晶颗粒且颗粒均一，粒径约为4.2μm，比表面积为0.7m2/g。
对比例1
将大颗粒球形镍钴锰前驱体(Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2，平均粒径为11μm)、氢氧化锂和纳米三氧化二硼按质量比1:0.007:0.43球磨混合；所得混合物在800℃下烧结8h，冷却至室温后破碎、过400目筛，得到镍钴锰酸锂正极材料，扫面电镜如图5所示，正极材料形貌为球形的二次颗粒，粒径约为11μm的球形颗粒组成，比表面积≤0.5m2/g。此结果表明以此制备方法无法实现制备小颗粒单晶正极材料的目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将大颗粒球形镍钴锰前驱体磨成碎片，与金属添加剂加入水和乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，喷雾干燥法得到混合物A；将混合物A与锂源混合球磨，600～1200℃烧结8～30h，冷却，气流粉碎，过筛，得到小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料。
2.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述的大颗粒球形镍钴锰前驱体为镍钴锰氢氧化物或镍钴锰氧化物。
3.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述的大颗粒球形镍钴锰前驱体的平均粒径为10～20μm。
4.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述的金属添加剂为二氧化钛、氧化镁、氢氧化镁、氧化铝、异丙醇铝、氢氧化铝、二氧化锆、三氧化二硼、二氧化锡、锡酸钠、氯化锡和三氧化二锑中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述的金属添加剂的总加入量占大颗粒球形镍钴锰前驱体质量的0.5～5％。
6.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂和氟化锂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂源的加入量占大颗粒球形镍钴锰前驱体质量的40～50％。
8.根据权利要求1所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料的制备方法，其特征在于：所述水和乙醇的混合溶液中乙醇体积含量为10～90％。
9.一种小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料，其特征在于根据权利要求1～8任一项所述的制备方法得到。
10.根据权利要求9所述的小颗粒单晶镍钴锰酸锂正极材料，其特征在于：其平均尺寸为2～4.5μm，比表面积为0.5～1.5m2/g。
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