CN107204459B - 一种三元正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三元正极材料的制备方法，以乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴为原材料，以聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂溶解在无水乙醇中，密封反应与减压蒸馏形成聚乙烯吡咯烷酮包裹的纳米级的氧化镍、氧化锰和氧化钴，然后加入碳酸锂与发泡剂得到三元碳酸液，最后经由水浴蒸馏与梯度加热恒压反应得到三元正极材料。本发明制备的三元正极材料具有充放电循环稳定、高温稳定、成本低、环境污染小等优势。

Description

一种三元正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于三元正极材料技术领域，具体涉及一种三元正极材料的制备方法。
背景技术
钴酸锂作为第一批市场化的锂离子电池正极材料，具有制备工艺简单、材料结构稳定、能量密度高、循环性能好，放电平台高且稳定等优异性能而成为目前最成熟的正极材料，但是钴酸锂热稳定性差，存在安全隐患；此外钴有毒且资源贫乏，而市场对锂离子电池的需求正逐渐增大，使得钴的价格大幅攀升，这些都制约了产业的发展以及锂离子电池的应用。为此必须寻找其他的正极材料来代替它。
三元材料自1999年第一次报道以来得到了广泛的研究，被认为是最有可能取代钴酸锂的正极材料之一。三元材料结合了钴酸锂、锰酸锂以及镍酸锂的特点，具有高比容量、安全性能好、结构稳定以及价格相对便宜的优点。现三元材料已经进入产业化阶段，但是其历史较短，成熟度还不够，还存在若干关键的科学及技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三元正极材料的制备方法，制备的三元正极材料具有充放电循环稳定、高温稳定、成本低、环境污染小等优势。
本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种三元正极材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴放入无水乙醇，然后加入稳定剂，溶解均匀后，即可得到混合液；
步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂进行密封反应3-8h，减压蒸馏反应2-4h得到聚乙烯吡咯烷酮包裹的混合液；
步骤3，将碳酸锂加入至混合液中，然后加入发泡剂，进行搅拌反应直至搅拌均匀得到三元碳酸液；
步骤4，将三元碳酸液放入反应釜中水浴蒸馏形成沉淀混合物；
步骤5，将沉淀混合物进行梯度加温恒压反应5-8h，得到三元正极材料。
所述步骤1中的乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的摩尔量比为1:1:1，所述稳定剂的量是乙酸钴摩尔量的10-15％，所述溶解采用搅拌溶解；采用摩尔比例为1的乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴能够保证镍、锰和钴形成稳定的相同比例，是Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2形成的保证。
所述步骤1中的稳定剂采用乙酰丙酮，乙酰丙酮具有良好的稳定效果，能够快速分解形成丙酮与乙酸，保证乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的稳定性。
所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的量是乙酸钴摩尔量的5-12倍，所述密封反应的温度为70-80℃，所述反应压力为0.9-1.5MPa，所述减压蒸馏的压力为大气压的40-60％，所述蒸馏温度为80-100℃；该步骤通过密封反应将聚乙烯吡咯烷酮快速溶解在无水乙醇中，同时增加聚乙烯吡咯烷酮的分子动力聚集在氧化镍、氧化锰和氧化钴，形成纳米级颗粒的包裹，保证氧化镍、氧化锰和氧化钴的粒径分散效果与交错效果；无水乙醇在该反应温度下形成气液平衡的状态，液态的无水乙醇急剧减少，提高聚乙烯吡咯烷酮浓度，也提高了包覆效果；该步骤中采用减压蒸馏的方式将溶液浓缩，形成混合浓缩液，同时保证聚乙烯吡咯烷酮作用在颗粒表面，保持了氧化镍、氧化锰和氧化钴起到稳定粒径的效果。
所述步骤3中的碳酸锂的量是乙酸钴的摩尔量的2.9-3.3倍，所述发泡剂加入量是乙酸钴摩尔量的10-13％，所述搅拌速度为1000-1500r/min；该步骤采用搅拌的方式将发泡剂溶解至溶液中，并与碳酸锂形成悬浊液，同时本身溶液中大量的聚乙烯吡咯烷酮，在悬浊液体系中起到分散剂的作用，能够在碳酸锂表面形成离子分散效果，具有良好的分散性。
所述步骤3中的发泡剂采用碳酸氢铵；发泡剂采用碳酸氢铵，能够在加热条件下形成气体，无杂质掺杂。
所述步骤4中的水浴蒸馏的温度为70-90℃，所述蒸馏时间为3-5h；通过蒸馏的方式能够将无水乙醇全部蒸发，形成聚乙烯吡咯烷酮包裹的颗粒混合物。
步骤5中梯度加热的温度为：120-150℃持续1-2h，200-250℃持续余下时间，所述压力为2-5MPa；通过梯度加热的方式将碳酸氢铵、碳酸锂、聚乙烯吡咯烷酮分解，最后形成氧化锂；在梯度恒压加热条件下，聚乙烯吡咯烷酮被分解，形成的孔隙在压力条件下得到紧实，与纳米级的氧化镍、氧化锰和氧化钴紧实后形成均匀的三元正极材料。
本方案以乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴为原材料，以聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂溶解在无水乙醇中，密封反应与减压蒸馏形成聚乙烯吡咯烷酮包裹的纳米级的氧化镍、氧化锰和氧化钴，然后加入碳酸锂与发泡剂得到三元碳酸液，最后经由水浴蒸馏与梯度加热恒压反应得到三元正极材料。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
本发明制备方法简单可行，实践性和通用性强。本发明制备的三元正极材料具有充放电循环稳定、高温稳定、成本低、环境污染小等优势，制备过程中的氧化镍、氧化锰和氧化钴的粒径可控性强，性能高。
具体实施方式
实施例1
一种三元正极材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴放入无水乙醇，然后加入稳定剂，溶解均匀后，即可得到混合液；
步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂进行密封反应3h，减压蒸馏反应2h得到聚乙烯吡咯烷酮包裹的混合液；
步骤3，将碳酸锂加入至混合液中，然后加入发泡剂，进行搅拌反应直至搅拌均匀得到三元碳酸液；
步骤4，将三元碳酸液放入反应釜中水浴蒸馏形成沉淀混合物；
步骤5，将沉淀混合物进行梯度加温恒压反应5h，得到三元正极材料。
所述步骤1中的乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的摩尔量比为1:1:1，所述稳定剂的量是乙酸钴摩尔量的10％，所述溶解采用搅拌溶解。
所述步骤1中的稳定剂采用乙酰丙酮。
所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的量是乙酸钴摩尔量的5倍，所述密封反应的温度为70℃，所述反应压力为0.9MPa，所述减压蒸馏的压力为大气压的40％，所述蒸馏温度为80℃。
所述步骤3中的碳酸锂的量是乙酸钴的摩尔量的2.9倍，所述发泡剂加入量是乙酸钴摩尔量的10％，所述搅拌速度为1000r/min。
所述步骤3中的发泡剂采用碳酸氢铵。
所述步骤4中的水浴蒸馏的温度为70℃，所述蒸馏时间为3h。
步骤5中梯度加热的温度为：120℃持续1h，200℃持续余下时间，所述压力为2MPa。
实施例1制备的三元正极材料在电压4.2V下，首次放电容量为176mAh/g，经100次循环后容量保持在167mAh/g，容量保持率为94.89％，三元正极材料的倍率性能较佳。在0.2C、1C、2C、5C、10C的倍率下的放电比容量分别为172mAh/g、156.3mAh/g、145.6mAh/g、127mAh/g、98.2mAh/g，经过倍率循环之后重新在0.2C下循环其比容量依旧保持在165mAh/g左右。
实施例2
一种三元正极材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴放入无水乙醇，然后加入稳定剂，溶解均匀后，即可得到混合液；
步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂进行密封反应8h，减压蒸馏反应4h得到聚乙烯吡咯烷酮包裹的混合液；
步骤3，将碳酸锂加入至混合液中，然后加入发泡剂，进行搅拌反应直至搅拌均匀得到三元碳酸液；
步骤4，将三元碳酸液放入反应釜中水浴蒸馏形成沉淀混合物；
步骤5，将沉淀混合物进行梯度加温恒压反应8h，得到三元正极材料。
所述步骤1中的乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的摩尔量比为1:1:1，所述稳定剂的量是乙酸钴摩尔量的15％，所述溶解采用搅拌溶解。
所述步骤1中的稳定剂采用乙酰丙酮。
所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的量是乙酸钴摩尔量的5-12倍，所述密封反应的温度为80℃，所述反应压力为1.5MPa，所述减压蒸馏的压力为大气压的40-60％，所述蒸馏温度为100℃。
所述步骤3中的碳酸锂的量是乙酸钴的摩尔量的3.3倍，所述发泡剂加入量是乙酸钴摩尔量的13％，所述搅拌速度为1500r/min。
所述步骤3中的发泡剂采用碳酸氢铵。
所述步骤4中的水浴蒸馏的温度为90℃，所述蒸馏时间为5h。
所述步骤5中梯度加热的温度为：150℃持续2h，250℃持续余下时间，所述压力为5MPa。
实施例2制备的三元正极材料在电压4.2V下，首次放电容量为166mAh/g，经100次循环后容量保持在153mAh/g，容量保持率为92.19％，三元正极材料的倍率性能较佳。在0.2C、1C、2C、5C、10C的倍率下的放电比容量分别为162mAh/g、148.3mAh/g、135.6mAh/g、117mAh/g、92.2mAh/g，经过倍率循环之后重新在0.2C下循环其比容量依旧保持在155mAh/g左右。
实施例3
一种三元正极材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴放入无水乙醇，然后加入稳定剂，溶解均匀后，即可得到混合液；
步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂进行密封反应5h，减压蒸馏反应3h得到聚乙烯吡咯烷酮包裹的混合液；
步骤3，将碳酸锂加入至混合液中，然后加入发泡剂，进行搅拌反应直至搅拌均匀得到三元碳酸液；
步骤4，将三元碳酸液放入反应釜中水浴蒸馏形成沉淀混合物；
步骤5，将沉淀混合物进行梯度加温恒压反应7h，得到三元正极材料。
所述步骤1中的乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的摩尔量比为1:1:1，所述稳定剂的量是乙酸钴摩尔量的13％，所述溶解采用搅拌溶解。
所述步骤1中的稳定剂采用乙酰丙酮。
所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的量是乙酸钴摩尔量的9倍，所述密封反应的温度为75℃，所述反应压力为1.2MPa，所述减压蒸馏的压力为大气压的50％，所述蒸馏温度为90℃。
所述步骤3中的碳酸锂的量是乙酸钴的摩尔量的3.2倍，所述发泡剂加入量是乙酸钴摩尔量的12％，所述搅拌速度为1300r/min。
所述步骤3中的发泡剂采用碳酸氢铵。
所述步骤4中的水浴蒸馏的温度为80℃，所述蒸馏时间为4h。
所述步骤5中梯度加热的温度为：140℃持续2h，230℃持续余下时间，所述压力为4MPa。
实施例3制备的三元正极材料在电压4.2V下，首次放电容量为186mAh/g，经100次循环后容量保持在177mAh/g，容量保持率为95.19％，三元正极材料的倍率性能较佳。在0.2C、1C、2C、5C、10C的倍率下的放电比容量分别为182mAh/g、167mAh/g、155.6mAh/g、137mAh/g、102.2mAh/g，经过倍率循环之后重新在0.2C下循环其比容量依旧保持在155mAh/g左右。
以上所述仅为本发明的一实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种三元正极材料的制备方法，其步骤如下：
步骤1，将乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴放入无水乙醇，然后加入稳定剂，溶解均匀后，即可得到混合液；
步骤2，将聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂进行密封反应3-8h，减压蒸馏反应2-4h得到聚乙烯吡咯烷酮包裹的混合液；
步骤3，将碳酸锂加入至混合液中，然后加入发泡剂，进行搅拌反应直至搅拌均匀得到三元碳酸液；
步骤4，将三元碳酸液放入反应釜中水浴蒸馏形成沉淀混合物；
步骤5，将沉淀混合物进行梯度加温恒压反应5-8h，得到三元正极材料；
所述步骤1中的乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴的摩尔量比为1:1:1，稳定剂的量是乙酸钴摩尔量的10-15％，溶解采用搅拌溶解；
所述步骤1中的稳定剂采用乙酰丙酮；
所述步骤2中的聚乙烯吡咯烷酮的量是乙酸钴摩尔量的5-12倍，密封反应的温度为70-80℃，反应压力为0.9-1.5MPa，减压蒸馏的压力为大气压的40-60％，蒸馏温度为80-100℃；
所述步骤3中的碳酸锂的量是乙酸钴的摩尔量的2.9-3.3倍，发泡剂加入量是乙酸钴摩尔量的10-13％，搅拌速度为1000-1500r/min；
所述步骤3中的发泡剂采用碳酸氢铵；
所述步骤4中的水浴蒸馏的温度为70-90℃，蒸馏时间为3-5h；
步骤5中梯度加热的温度为：120-150℃持续1-2h，200-250℃持续余下时间，压力为2-5MPa。
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