CN107039650A - 一种锰包覆改性锂电池三元正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锰包覆改性锂电池三元正极材料及其制备方法,该锰包覆改性锂电池三元正极材料由三元正极材料、锰源、添加剂和锂源混合在一起后烧结而成;其中,所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,并且所述添加剂的阳离子为B、Na、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Zr、Ce、Mo、Y、V、Ga、Ge、Sc、Nb、Sn、Te、La、W中的至少一种元素的阳离子。本发明不仅能够使锂电池三元正极材料的循环性能、热稳定性、电化学性能和安全性能得到大幅提高,而且能够吸收材料表面的LiOH和Li2CO3,改善电池制备过程中的加工性能,简化制备工艺,节约生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池正极材料技术领域,尤其涉及一种锰包覆改性锂电池三元正极材料及其制备方法。
背景技术
锂电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、自放电率低等优点,因此在市场上具有广泛的应用,而且对锂电池的要求也随着社会的进步不断提高。锂电池正极材料是锂电池核心部件之一,通常占整个锂电池成本的40%左右,但锂电池正极材料的发展状况相比于锂电池负极材料较为滞后,因此制备高比容量、安全廉价的锂电池正极材料是锂电池行业的发展重点之一。
目前,产业化应用较广泛的锂电池正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、尖晶石锰酸锂和三元正极材料。其中,钴酸锂在3C电子产品市场占有重要的地位,而磷酸铁锂和尖晶石锰酸锂主要应用于电动汽车领域。近年来,三元正极材料的迅速发展并抢占了锂电池正极材料的部分市场,其中代表性的三元正极材料有LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。这些三元正极材料具有与钴酸锂一样的α-NaFeO2型层状结构,而且还具有明显的Ni-Co-Mn协同作用:①Ni元素是主要的活性物质,能够提供更高的可逆容量;②Co元素能够稳定材料的层状结构并抑制阳离子混排,提高正极材料的导电性能和循环稳定性;③Mn元素可以有效提高材料的安全性能并降低成本,因此三元正极材料成为最具前景的锂电池正极材料之一。
三元正极材料也存在一些缺点,例如:三元正极材料表面的LiOH和Li2CO3含量较高,高电压下容量衰减较快,安全性能较差,因此需要对三元正极材料进行改性,而表面包覆是改善三元正极材料性能的有效途径之一。在现有技术中,为了提高锂电池的安全性能,通常采用三元正极材料与锰酸锂掺混的方式来提高锂电池的安全性能(例如:专利US6808848B2公开的锰酸锂掺混高镍正极材料制备动力电池用正极材料),但这种制备工艺并未改性三元正极材料本身的性能,而且制备成本较高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处,本发明提供了一种锰包覆改性锂电池三元正极材料及其制备方法,不仅能够使锂电池三元正极材料的循环性能、热稳定性、电化学性能和安全性能得到大幅提高,而且能够改善电池制备过程中的加工性能,简化制备工艺,节约生产成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种锰包覆改性锂电池三元正极材料,由三元正极材料、锰源、添加剂和锂源混合在一起后烧结而成;其中,所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,并且所述添加剂的阳离子为B、Na、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Zr、Ce、Mo、Y、V、Ga、Ge、Sc、Nb、Sn、Te、La、W中的至少一种元素的阳离子。
优选地,所述锰源中的锰元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.2:1;所述添加剂中的金属阳离子与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.00001~0.02:1;所述锂源中的锂元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.4:1。
优选地,所述三元正极材料为LiaNixCoyMnzO2,其中,0.9≤a≤1.2,x+y+z=1,0.5≤x<1,0<y≤0.25,0<z≤0.25。
优选地,所述的锰源为一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、碳酸锰、碱式碳酸锰、羟基氧化锰、草酸锰中的至少一种。
优选地,所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的至少一种。
一种锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法,将三元正极材料、锰源、添加剂和锂源均匀混合在一起,并置于400~900℃的空气或氧气气氛中烧结4~20h,然后进行冷却,并过200~400目筛进行筛分,从而制得上述技术方案中所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料;其中,所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,并且所述添加剂的阳离子为B、Na、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Zr、Ce、Mo、Y、V、Ga、Ge、Sc、Nb、Sn、Te、La、W中的至少一种元素的阳离子。
优选地,所述锰源中的锰元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.2:1;所述添加剂中的金属阳离子与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.00001~0.02:1;所述锂源中的锂元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.4:1。
优选地,所述三元正极材料为LiaNixCoyMnzO2,其中,0.9≤a≤1.2,x+y+z=1,0.5≤x<1,0<y≤0.25,0<z≤0.25。
优选地,所述的锰源为一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、碳酸锰、碱式碳酸锰、羟基氧化锰、草酸锰中的至少一种。
优选地,所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的至少一种。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,本发明提供的锰包覆改性锂电池三元正极材料是由三元正极材料、锰源、添加剂和锂源混合在一起后在400~900℃的空气或氧气气氛中烧结4~20h制备而成,并且所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,从而能够直接在三元正极材料表面包覆一定量的锰元素,并且在表面包覆锰的同时加入添加剂,这不仅可以吸收材料表面的LiOH和Li2CO3、改善电池制备过程中的加工性能、简化制备工艺、节约生产成本,而且能够使锂电池三元正极材料的循环性能、热稳定性、电化学性能和安全性能得到大幅提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例1中锰包覆改性锂电池三元正极材料与对比实施例1中锂电池三元正极材料的循环性能对比示意图。
图2为本发明实施例1中锰包覆改性锂电池三元正极材料与对比实施例1中锂电池三元正极材料的DSC测试结果对比示意图。
图3为本发明实施例2中锰包覆改性锂电池三元正极材料与对比实施例2中锂电池三元正极材料的循环性能对比示意图。
图4为本发明实施例2中锰包覆改性锂电池三元正极材料与对比实施例2中锂电池三元正极材料的DSC测试结果对比示意图。
图5为本发明实施例3所提供锰包覆改性锂电池三元正极材料的循环性能示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
下面对本发明提供的锰包覆改性锂电池三元正极材料及其制备方法进行详细描述。
一种锰包覆改性锂电池三元正极材料,由三元正极材料、锰源、添加剂和锂源混合在一起后烧结而成;其中,所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,并且所述添加剂的阳离子为B、Na、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Zr、Ce、Mo、Y、V、Ga、Ge、Sc、Nb、Sn、Te、La、W中的至少一种元素的阳离子。
具体地,该锰包覆改性锂电池三元正极材料的实施方案可以包括:
(1)所述锰源中的锰元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.2:1;所述添加剂中的金属阳离子与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.00001~0.02:1;所述锂源中的锂元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.4:1。本发明选择这一原料配比来制备锰包覆改性锂电池三元正极材料,可吸收三元材料表面的LiOH和Li2CO3,抑制无活性锰源的存在,同时可以对三元材料和生成的锂锰化合物进行掺杂改性,从而不仅能够改善电池制备过程中的加工性能、简化制备工艺、节约生产成本,而且能够使锂电池三元正极材料的循环性能、热稳定性、电化学性能和安全性能得到大幅提高。
(2)所述三元正极材料为LiaNixCoyMnzO2,其中,0.9≤a≤1.2,x+y+z=1,0.5≤x<1,0<y≤0.25,0<z≤0.25。
(3)所述的锰源为一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、碳酸锰、碱式碳酸锰、羟基氧化锰、草酸锰中的至少一种。
(4)所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的至少一种。
进一步地,该锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法包括:按照上述原料配比,将三元正极材料、锰源、添加剂和锂源均匀混合在一起,并置于400~900℃的空气或氧气气氛中烧结4~20h,然后进行冷却,并过200~400目筛进行筛分,从而制得上述锰包覆改性锂电池三元正极材料。
与现有技术相比,本发明中的锰包覆改性锂电池三元正极材料至少具有以下优点:
(1)本发明所提供的锰包覆改性锂电池三元正极材料可以提高材料的循环性能和热稳定性,从而提高锂电池的安全性能。
(2)本发明所提供的锰包覆改性锂电池三元正极材料在表面包覆锰的同时加入添加剂,从而提高了材料的电化学性能。
(3)本发明所提供的锰包覆改性锂电池三元正极材料直接在三元正极材料表面包覆一定量的锰元素,从而可以吸收材料表面的LiOH和Li2CO3,这能够改善后续电池制备过程中的加工性能,简化制备工艺,节约生产成本。
综上可见,本发明实施例不仅能够使锂电池三元正极材料的循环性能、热稳定性、电化学性能和安全性能得到大幅提高,而且能够改善电池制备过程中的加工性能,简化制备工艺,节约生产成本。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果,下面以具体实施例对本发明所提供的锰包覆改性锂电池三元正极材料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种锰包覆改性锂电池三元正极材料,其制备方法为:按照Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2中过渡金属元素:二氧化锰中锰元素:二氧化钛中钛元素:碳酸锂中锂元素=1.0:0.05:0.002:0.05的摩尔比,将Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2、二氧化锰、二氧化钛和碳酸锂均匀混合在一起,并置于900℃的空气气氛中烧结15h,然后进行冷却,并过300目筛进行筛分,从而制得锰包覆改性锂电池三元正极材料。
对比实施例1
一种锂电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2,采用现有技术中的制备方法制备而成;Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2中过渡金属元与锰酸锂中锰元素的摩尔比为1.0:0.05。
实施例1与对比实施例1性能检测
(1)采用本发明实施例1中锰包覆改性锂电池三元正极材料和对比实施例1中锂电池三元正极材料,分别组装成CR2025型扣式电池,并在3.0~4.5V、1C下分别进行充放电循环测试,从而得到如图1所示的循环性能曲线对比示意图。由图1可以看出:与对比实施例1中未采用锰包覆改性的锂电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2相比,本发明实施例1中锰包覆改性锂电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2在循环过程中具有高的放电容量。由此可以确认锰包覆改性可提高锂离子电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2的循环性能。
(2)将本发明实施例1中锰包覆改性锂电池三元正极材料和对比实施例1中锂电池三元正极材料分别在3.0~4.5V、0.1C下进行一周充放电循环后,以0.1C充至4.3V,再刮下正极材料粉料进行DSC测试,从而得到如图2所示DSC测试结果对比示意图。由图2可以看出:与对比实施例1中未采用锰包覆改性的锂电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2相比,本发明实施例1中锰包覆改性锂电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2放热温度升高,放热量减小。由此可以确认锰包覆改性可提高锂离子电池三元正极材料Li1.03Ni0.5Co0.2Mn0.3O2的热稳定性。
实施例2
一种锰包覆改性锂电池三元正极材料,其制备方法为:按照Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2中过渡金属元素:碳酸锰中锰元素:二氧化锆中锆元素:碳酸锂中锂元素=1.0:0.03:0.001:0.045的摩尔比,将Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2、碳酸锰、二氧化锆和碳酸锂均匀混合在一起,并置于750℃的空气气氛中烧结20h,然后进行冷却,并过300目筛进行筛分,从而制得锰包覆改性锂电池三元正极材料。
对比实施例2
一种锂电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2,采用现有技术中的方法制备而成。
实施例2与对比实施例2性能检测
(1)采用本发明实施例2中锰包覆改性锂电池三元正极材料和对比实施例2中锂电池三元正极材料,分别组装成CR2025型扣式电池,并在3.0~4.5V、1C下分别进行充放电循环测试,从而得到如图3所示的循环性能曲线对比示意图。由图3可以看出:与对比实施例2中未采用锰包覆改性的锂电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2相比,本发明实施例2中锰包覆改性锂电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2在循环过程中具有较高的放电容量。由此可以确认锰包覆改性可提高锂离子电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2的循环性能。
(2)将本发明实施例2中锰包覆改性锂电池三元正极材料和对比实施例2中锂电池三元正极材料分别在3.0~4.5V、0.1C下进行一周充放电循环后,以0.1C充至4.3V,再刮下正极材料粉料进行DSC测试,从而得到如图4所示DSC测试结果对比示意图。由图4可以看出:与比实施例2中未采用锰包覆改性的锂电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2相比,本发明实施例2中锰包覆改性锂电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2放热温度升高,放热量减小。由此可以确认锰包覆改性可提高锂离子电池三元正极材料Li1.04Ni0.6Co0.2Mn0.2O2的热稳定性。
实施例3
一种锰包覆改性锂电池三元正极材料,其制备方法为:按照Li1.04Ni0.8Co0.1Mn0.1O2中过渡金属元素:草酸锰中锰元素:氧化镁和二氧化硅中阳离子:氢氧化锂中锂元素=1.0:0.04:0.001:0.04的摩尔比,将Li1.04Ni0.8Co0.1Mn0.1O2、草酸锰、氧化镁、二氧化硅和氢氧化锂均匀混合在一起,并置于500℃的氧气气氛中烧结5h,然后进行冷却,并过300目筛进行筛分,从而制得锰包覆改性锂电池三元正极材料。
具体地,采用本发明实施例3中锰包覆改性锂电池三元正极材料组装成CR2025型扣式电池,并在3.0~4.5V、1C下进行充放电循环测试,从而得到如图5所示的循环性能曲线对比示意图。由图5可以看出:本发明实施例3中采用锰包覆改性锂电池三元正极材料Li1.04Ni0.8Co0.1Mn0.1O2在循环过程中具有较高的放电容量且放电趋势平稳。由此可确认锰包覆改性可提高锂离子电池三元正极材料Li1.04Ni0.8Co0.1Mn0.1O2的循环性能。
综上可见,本发明实施例不仅能够使锂电池三元正极材料的循环性能、热稳定性、电化学性能和安全性能得到大幅提高,而且能够改善电池制备过程中的加工性能,简化制备工艺,节约生产成本。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种锰包覆改性锂电池三元正极材料,其特征在于,由三元正极材料、锰源、添加剂和锂源混合在一起后烧结而成;
其中,所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,并且所述添加剂的阳离子为B、Na、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Zr、Ce、Mo、Y、V、Ga、Ge、Sc、Nb、Sn、Te、La、W中的至少一种元素的阳离子。
2.根据权利要求1所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料,其特征在于,所述锰源中的锰元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.2:1;所述添加剂中的金属阳离子与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.00001~0.02:1;所述锂源中的锂元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.4:1。
3.根据权利要求1或2所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料,其特征在于,所述三元正极材料为LiaNixCoyMnzO2,其中,0.9≤a≤1.2,x+y+z=1,0.5≤x<1,0<y≤0.25,0<z≤0.25。
4.根据权利要求1或2所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料,其特征在于,所述的锰源为一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、碳酸锰、碱式碳酸锰、羟基氧化锰、草酸锰中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料,其特征在于,所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的至少一种。
6.一种锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法,其特征在于,将三元正极材料、锰源、添加剂和锂源均匀混合在一起,并置于400~900℃的空气或氧气气氛中烧结4~20h,然后进行冷却,并过200~400目筛进行筛分,从而制得上述权利要求1至5中任一项所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料;
其中,所述添加剂为氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、羧酸基氧化物、草酸盐或碳酸盐中的至少一种,并且所述添加剂的阳离子为B、Na、Mg、Al、Si、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Zr、Ce、Mo、Y、V、Ga、Ge、Sc、Nb、Sn、Te、La、W中的至少一种元素的阳离子。
7.根据权利要求6所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法,其特征在于,所述锰源中的锰元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.2:1;所述添加剂中的金属阳离子与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.00001~0.02:1;所述锂源中的锂元素与所述三元正极材料中过渡金属元素的摩尔比为0.0001~0.4:1。
8.根据权利要求6或7所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法,其特征在于,所述三元正极材料为LiaNixCoyMnzO2,其中,0.9≤a≤1.2,x+y+z=1,0.5≤x<1,0<y≤0.25,0<z≤0.25。
9.根据权利要求6或7所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法,其特征在于,所述的锰源为一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、碳酸锰、碱式碳酸锰、羟基氧化锰、草酸锰中的至少一种。
10.根据权利要求6或7所述的锰包覆改性锂电池三元正极材料的制备方法,其特征在于,所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂中的至少一种。
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