CN106848183A - 一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法 - Google Patents

一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，该方法采用喷雾干燥技术，将锂快离子导体玻璃Li2O‑2B2O3‑mLi2SO4包覆在锂离子电池三元正极材料表面。按照摩尔比的锂化合物、硼化合物、锂硫化合物，加入去离子水，搅拌成均匀浆料，经喷雾干燥制备前驱体，将前驱体置于马弗炉中，在温度500℃下焙烧10h制得样品。该方法提高了锂离子电池三元正极材料在大电流密度下的充放电性能，改善了LiNixCoyMn(1‑x‑y)O2三元正极材料的倍率性能。通过该方法处理的锂离子电池三元正极材料，可有效改善动力电池的快速充放电性能。同时，该方法生产设备简单，生产效率高，成本低，可实现大规模生产。

Description

一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法
技术领域
本发明属于新能源材料与储能器件领域，具体涉及一种改善锂离子电池三元正极材料的倍率性能的方法。
背景技术
在最近的二十年中，锂离子电池因为其能量密度大、使用寿命长、耐高低温环境和无记忆效应等特点，其应用范围不断扩大，除了作为电动汽车用动力电池以外，民用从手机、笔记本电脑、数码相机、儿童玩具等小型电池到电网调峰、太阳能和风能储电的大型动力电池；军用则涵盖了海(潜艇、水下机器人)、陆(陆军士兵系统、机器战士)、天(无人飞机)、空(卫星、飞船)等。
目前，锂离子电池正极材料的主要研究对象就是含锂过渡金属氧化物。根据正极材料结构不同可将其分为三类：层状结构化合物LiMO2(M＝Co、Ni、Mn等)、尖晶石结构化合物LiM2O4(M＝Mn等)和橄榄石结构化合物LiMPO4(M＝Fe、Mn、Ni、Co等)。目前，大多数的研究集中在这些材料及其衍生物上。最近几年，一些新型结构的插入型材料(例如：硅酸盐、硼酸盐和氟化物)也受到研究人员的关注。镍酸锂的克容量最高，达到190-210mAh g-1，但是高的成本和较差的循环稳定性，极大限制了其商业应用。磷酸铁锂以其低廉的原料成本和较好的循环稳定性，在市场竞争中占据较大的优势。但其克容量较低，只有130-140mAh g-1，限制了其在动力电池领域的进一步应用。三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2(0<x,y<1)拥有较高的克容量(>200mAh g-1)和循环稳定性，整体性能较好，被认为是最有可能取代钴酸锂的正极材料。镍钴锰三元材料还存在倍率性能差的问题，由于Ni2+的离子半径与Li+的离子半径相近可导致锂镍混排,进入镍位的锂在充放电过程中脱出困难从而导致循环性能恶化及比容量降低,这种锂镍混排导致材料的倍率性能变差。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改善三元锂离子电池正极材料的倍率性能的方法，该方法采用喷雾干燥技术，将锂快离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4包覆在锂离子电池三元正极材料表面。通过对三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2进行锂快离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4的表面修饰改性，改善锂离子电池正极材料的倍率性能，该方法提高了锂离子电池三元正极材料在大电流密度下的充放电性能，通过该方法处理的锂离子电池三元正极材料，可有效改善动力电池的快速充放电性能。同时，该方法生产设备简单，生产效率高，成本低，可实现大规模生产。
本发明所述的一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，通过对三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2，0<x,y<1进行锂快离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4，0.1<m<0.9的表面修饰改性，改善锂离子电池正极材料的倍率性能，按下列步骤进行：
a、将锂化合物为碳酸锂或氢氧化锂，硼化合物为硼酸或三氧化二硼，锂硫化合物为硫酸锂按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.1-0.9混合，加入去离子水中，匀速搅拌0.5-1h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNixCoyMn(1-x-y)O2三元正极材料质量比LiNixCoyMn(1-x-y)O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:1-5混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持100-200r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为500-550℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4包覆LiNixCoyMn(1-x-y)O2的三元锂离子电池正极材料。
步骤a中锂化合物、硼化合物、锂硫化合物摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.1-0.3。
本发明所述的一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，该方法中的三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2，其中0<x,y<1，锂快离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4，其中0.1<m<0.9。
本发明所述的一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，具有以下显著特点：
采用适合规模化生产的喷雾干燥法，该方法干燥速度快，得到的样品具有较好的分散性，包覆物能够非常均匀的分布在材料表面，得到的样品也表现出了优越的性能。该方法所得到的样品颗粒均匀，减少了研磨、筛选的工序，简化了制备工艺。同时，该方法生产设备简单，生产效率高，成本低，可实现大规模生产。
将锂快离子导体Li2O-2B2O3-mLi2SO4作为表面改性材料，在Li2O-2B2O3锂快离子导体体系的基础上，通过加入了Li2SO4，提高了Li2O-2B2O3锂快离子导体的离子传导率。通过掺杂聚阴离子SO4 2-，增加了Li2O-2B2O3锂快离子导体在形成过程中的极性基团，稳定了材料的三维框架结构，为锂离子提供了更多的传输通道，有效地改善了材料的离子传导率和电化学性能。掺杂Li2SO4的Li2O-2B2O3锂快离子导体作为表面改性材料，有效改善了三元锂离子电池正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2电化学性能，提高了该系列材料在大电流密度下的放电比容量。
经过本发明所述方法处理的三元锂离子电池正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2在不同放电倍率条件下容量保持率(20℃)得到较明显的提高。首次充放电比容量，从处理前的175.8mAhg-1提高到183.9mAhg-1；在1C倍率下，由处理前的161.6mAhg-1提高到166mAhg-1；在1C倍率下经过100次循环，从处理前的49.9mAhg-1提高到141.9mAhg-1，容量保有率从28.4％提高到77.1％，容量保有率提高了48.4％。
附图说明
图1为本发明在Li2O-2B2O3-mLi2SO4不同比例下处理前后的三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2的XRD图；
图2为本发明在Li2O-2B2O3-mLi2SO4不同比例下处理前后的三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2在不同倍率下放电比容量图；
图3为本发明在Li2O-2B2O3-mLi2SO4处理前后的三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2在1C倍率下的循环性能曲线图；
下面结合实施例对本发明的内容进行进一步说明：
实施例1
a、将碳酸锂、三氧化二硼和硫酸锂按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.1混合，加入去离子水中，匀速搅拌0.5h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元正极材料按质量比为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:5混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持100r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为500℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，即得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4(m＝0.1)包覆LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的三元锂离子电池正极材料。
实施例2
a、将碳酸锂、硼酸、硫酸锂物按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.2混合，加入去离子水中，匀速搅拌0.5h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元正极材料按质量比为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:3混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持150r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为500℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，即得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4(m＝0.2)包覆LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的三元锂离子电池正极材料。
实施例3
a、将氢氧化锂、硼酸、硫酸锂按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.3混合，加入去离子水中，匀速搅拌1h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料按质量比为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:1混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持200r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为550℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，即得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4(m＝0.3)包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的三元锂离子电池正极材料。
实施例4
a、将氢氧化锂、三氧化二硼和硫酸锂按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.5混合，加入去离子水中，匀速搅拌0.5h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料按质量比为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:5混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持100r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为550℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，即得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4(m＝0.5)包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的三元锂离子电池正极材料。
实施例5
a、将碳酸锂、硼酸、硫酸锂物按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.7混合，加入去离子水中，匀速搅拌0.5h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极材料按质量比为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:3混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持150r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为500℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，即得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4(m＝0.7)包覆LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的三元锂离子电池正极材料。
实施例6
a、将氢氧化锂、三氧化二硼、硫酸锂按摩尔比为Li:B:S＝1:2:0.9混合，加入去离子水中，匀速搅拌1h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极材料按质量比为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4＝100:1混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持200r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为550℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，即得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4(m＝0.9)包覆LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的三元锂离子电池正极材料。
实施例7
将实施例1-6中制备的任意一种锂快离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4包覆LiNixCoyMn(1-x-y)O2的三元锂离子电池正极材料粉末、乙炔黑、聚偏氟乙烯，按照质量比8:1:1混合调浆，然后均匀涂覆于铝箔集流体上,涂覆好的铝箔在这真空条件下，恒温120℃干燥720min后，使用模具裁成相同大小的直径为10mm的圆片，即得到待测试正极电极片，负极采用金属铝箔，在充满氩气的手套箱内组装成CR2025型扣式电池，采用深圳新威电池测试系统对组装成的扣式电池在室温下进行充放电性能测试，电压范围2.5-4.5V，测试结果见图2和图3。
经过本发明所述方法处理的三元锂离子电池正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2，在0.5C倍率下，由处理前的166.8mAhg-1提高到处理后的167mAhg-1，容量保有率从90.6％提高到95.8％；在1C倍率下，由处理前的148.4mAhg-1提高到处理后的159mAhg-1，容量保有率从80.6％提高到91.9％；在2C倍率下，由处理前的126.4mAhg-1提高到处理后的150.2mAhg-1，容量保有率从68.7％提高到86.9％；在5C倍率下，由处理前的84.2mAhg-1提高到处理后的133.9mAhg-1，容量保有率从45.7％提高到77.5％；循环30圈，在0.2C倍率下，从处理前的161.1mAhg-1提高到处理后的176.1mAhg-1，容量保有率从87.5％提高到99.3％，提高了11.8％。表明本发明所述方法处理的三元锂离子电池正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2具有较好的倍率性能。

Claims (2)

1.一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，其特征在于通过对三元正极材料LiNixCoyMn(1-x-y)O2，0<x,y<1进行锂快离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4，0.1<m<0.9的表面修饰改性，改善锂离子电池正极材料的倍率性能，具体操作按下列步骤进行：
a、将锂化合物为碳酸锂或氢氧化锂，硼化合物为硼酸或三氧化二硼，锂硫化合物为硫酸锂按摩尔比为Li:B:S=1:2:0.1-0.9混合，加入去离子水中，匀速搅拌0.5-1h，待混合物完全溶解，得到包覆液；
b、将LiNixCoyMn(1-x-y)O2三元正极材料质量比LiNixCoyMn(1-x-y)O2:Li2O-2B2O3-mLi2SO4=100:1-5混合，缓慢加入步骤a得到的包覆液中，保持100-200r/min的搅拌速度，搅拌成均匀浆料；
c、将步骤b得到的浆料通过喷雾干燥，控制进气温度为220℃，出口温度为110℃，收集得到干燥后的粉末；
d、将步骤c干燥后的粉末置于马弗炉中进行热处理，温度为500-550℃，升温速率为5℃/min，时间为10h，得到混合物；
e、将步骤d得到的混合物研磨均匀，200目筛分处理，得到Li2O-2B2O3-mLi2SO4包覆LiNixCoyMn(1-x-y)O2的三元锂离子电池正极材料。
2.根据权利要求1所述的一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，其特征在于步骤a中锂化合物，硼化合物，锂硫化合物的摩尔比为Li:B:S=1:2:0.1-0.3。
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