CN107799762B - 一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法 - Google Patents

一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法。该方法包括如下步骤:(1)将镍钴锰三元前驱体和锂源粉末置于密封容器中,剧烈振荡,混合均匀,得到混合粉体;(2)将混合粉体置于管式炉中进行低温煅烧,低温煅烧结束后,再进行高温煅烧,高温煅烧结束后随炉自然冷却至室温,取出,过筛、除磁,得到所述提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料。本发明制备方法把煅烧温度和保温时间两个变量结合,把高温煅烧分为三个温区,且每个温区以特定的升温速率运行,充分利用了各温区的热效能,未对镍钴锰三元正极材料进行改性,在不影响材料原有的克容量和循环性能的情况下,表现出高且稳定的首轮充放电效率。

Description

一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的 制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池正极材料制备领域,具体涉及一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法。
背景技术
随着国家对新能源汽车产业发展的支持力度逐渐加大,锂离子电池作为最热门的动力电池而备受关注。镍钴锰三元正极材料拥有较高的比容量、能量密度和功率密度,比较稳定的性能,是生产动力电池的热门正极材料。与钴酸锂材料相比,三元正极材料中钴所占比例较低,具有一定的成本优势。然而在3.0~4.2V的电压范围内,钴酸锂的首轮充放电效率可达95%,三元正极材料则一般只有85%左右。首轮充放电效率较低一定程度上影响了材料的可逆容量,也对电池设计时的正负极配比产生一定的影响。对于首次的充电容量可达200mAh/g的三元正极材料而言,5%的首放效率提升,相当于10mAh/g的可逆容量的提高,对电池能量密度的提升有十分重要的意义。
锂离子电池的首轮效率,是指在首次充电的过程中,随着锂离子的嵌入,石墨的电势逐渐降低,当低于电解液稳定的电位时,电解液就会在石墨负极的表面还原分解,消耗一部分锂,形成负极SEI膜(固体电解质相界面膜),从而导致了不可逆容量。三元正极材料的首轮效率可通过扣式半电池测试。
为了提高三元材料的首次充放电效率,补锂是一种可行的思路。然而现有的补锂方法多为负极补锂(中国专利CN1830110、CN1773762A、CN102916165A、CN106159208A),也有通过添加电解液添加剂来达到补锂的目的(中国专利CN105702961A)。中国发明专利(CN106384808A)针对现有锂离子二次电池存在形成SEI膜过程中容量损失以及现有补锂方式要求苛刻,补锂效果不理想的问题,提供了一种对钴酸锂的正极补锂方法。然而关于镍钴锰三元正极材料的正极补锂方法尚未见有报道。
中国专利CN105895901A另辟蹊径,通过检测三元正极材料中氢氧化锂和碳酸锂的含量,按化学配比加入二氧化锰,混合煅烧后得到含锰酸锂的三元正极材料。该发明把三元正极材料的首次放电效率提升到了90%以上,材料的克容量也有所提升。但是由于掺杂了锰酸锂,使合成工艺变得复杂。而未经改性作为对比例的三元正极材料,由于合成工艺的原因,其克容量远未达到三元正极材料的标准水平,如LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的1C放电比容量仅为145.0mAh/g,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的1C放电比容量则只有148.7mAh/g。经过改性的三元正极材料,由于掺杂或包覆了其它杂元素,克容量会有所下降,虽然提高了其首次放电效率,但是会牺牲材料乃至电池的容量。
因此,需要研究出新的合成工艺,制备得到能提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供了一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法。镍钴锰三元正极材料的首次放电效率与材料的阳离子混排程度、六方晶型度以及次生晶粒的大小等因素有关,故在高温固相反应中,可通过调整煅烧温度和保温时间,得到阳离子混排程度低、六方晶型结晶度好、次生晶粒发育完整以及具有高且稳定的首次放电效率的三元正极材料。
本发明通过调整合成工艺来提高镍钴锰三元正极材料的首次放电效率。本发明方法制备的镍钴锰三元正极材料在不影响材料原有的克容量和循环性能的情况下,表现出高且稳定的首轮充放电效率。同时,本发明方法缩短了常规工艺所需的保温时间,制得的材料球形度好,次生晶粒呈厚片状。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
本发明一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法,通过将镍钴锰三元正极材料的高温固相合成过程分为低温段和高温段两部分煅烧过程,进而制得提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料。
一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)配锂混合:将镍钴锰三元前驱体和锂源粉末置于密封容器中,剧烈振荡,混合均匀,得到混合粉体;
(2)煅烧:将混合粉体置于管式炉中进行低温煅烧,低温煅烧结束后,再进行高温煅烧,高温煅烧结束后随炉自然冷却至室温,取出,过筛、除磁,得到所述提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料。
进一步地,步骤(1)中,所述镍钴锰三元前驱体为镍钴锰三元复合氢氧化物,化学式为NixCoyMnz(OH)2,其中x+y+z=1,0.3≤x≤0.8,0.1≤y≤0.4,0.1≤z≤0.4。
进一步地优选的,步骤(1)中,所述镍钴锰三元前驱体包括NCM111型前驱体Ni0.3Co0.3Mn0.3(OH)2、NCM523型前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、NCM622型前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2或NCM811型前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2
进一步地,步骤(1)中,所述镍钴锰三元前驱体的平均粒径为4~18μm。
进一步地,步骤(1)中,所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂或硝酸锂。
进一步地,步骤(1)中,所述锂源粉末的粒径为3~6μm。
进一步地,步骤(1)中,所述的镍钴锰三元正极材料的化学式为LiMO2,其中M=Ni、Co和Mn。
进一步地,步骤(1)中,所述镍钴锰三元前驱体和锂源按M与Li的摩尔比为1:1.01~1.10进行添加,优选为1:1.01~1.06,其中M= Ni、Co和Mn。
进一步地,步骤(2)中,所述低温煅烧是以升温速率5~10℃/min从室温加热至600~700℃后,保温5~6h。
通过低温煅烧,将镍钴锰三元前驱体与锂源粉末完全脱水分解,形成氧化物,以利于进行下一步高温段的高温固相合成。
进一步地,步骤(2)中,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~1000℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为温区Ⅰ、温区Ⅱ和温区Ⅲ,且各温区内最高温度与最低温度的温差不低于25℃,在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时。
各温区根据三元前驱体中的镍含量来划分,对高镍三元前驱体(0.6<x≤0.8),温区Ⅰ、温区Ⅱ和温区Ⅲ的最高温度分别为750℃、775℃和和800℃;对中镍三元前躯体(0.5≤x≤0.6),温区Ⅰ、温区Ⅱ和温区Ⅲ的最高温度分别为825℃、875℃和925±25℃;对低镍三元前驱体(0.3≤x<0.5),温区Ⅰ、温区Ⅱ和温区Ⅲ的最高温度分别为825℃、925℃和975±25℃。
不同镍钴锰三元前驱体的高温煅烧的温区范围不相同,且在高温煅烧过程中,温度为非定值,各温区以不同的特定升温速率连续加热升温,并在升温的过程中达到保温的目的。
进一步地优选的,步骤(2)中,镍钴锰三元前驱体为NCM111型前驱体Ni0.3Co0.3Mn0.3(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~1000℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~825℃的温区Ⅰ、825~925℃的温区Ⅱ和925~1000℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时。
进一步地优选的,步骤(2)中,镍钴锰三元前驱体为NCM523型前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~950℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~825℃的温区Ⅰ、825~875℃的温区Ⅱ和875~950℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时。
进一步地优选的,步骤(2)中,镍钴锰三元前驱体为NCM622型前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~900℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~825℃的温区Ⅰ、825~875℃的温区Ⅱ和875~900℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时。
进一步地优选的,步骤(2)中,镍钴锰三元前驱体为NCM811型前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~800℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~750℃的温区Ⅰ、750~775℃的温区Ⅱ和775~800℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时。
进一步地,步骤(2)中,所述过筛是过100~300目标准筛。
进一步地,步骤(2)中,煅烧过程均为空气氛围下进行。
与现有技术相比,本发明具有如下优点及有益效果:
(1)本发明制备方法工艺流程简单,所制备的镍钴锰三元正极材料具有高且稳定的首次放电效率,经扣式半电池测试,首次放电效率高达90%,充电上限电压在4.25~4.4V范围内,并均稳定在87~88%,且克容量高,循环性能好;
(2)本发明制备方法仅对合成工艺进行调整,未对镍钴锰三元正极材料进行改性,在不影响材料原有的克容量和循环性能的情况下,表现出高且稳定的首轮充放电效率,充分发挥了材料的容量优势;
(3)本发明制备方法把煅烧温度和保温时间两个变量结合,把高温煅烧分为三个温区,且每个温区以特定的升温速率运行,充分利用了各温区的热效能,具有节能、高效的特点;
(4)本发明制备方法既省去了常规工艺升温至特定温度所需的时间,也省去了特定温度下所需的长保温时间,耗时短(常规工艺高温煅烧保温10小时)却能达到与常规工艺相当的效果,且耗能仅为常规工艺的55~59%;
(5)本发明制备方法生产的镍钴锰三元正极材料不易结块,减小后续破碎的工步,过筛除磁后,即可直接用于制作正极片。
附图说明
图1a为实施例1中采用的前驱体(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图1b为实施例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图2为实施例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的XRD图;
图3a为实施例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图3b为实施例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图4a为实施例2中采用的前驱体(NCM 111型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图4b为实施例2制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 111型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图5为实施例2制备的镍钴锰三元正极材料(NCM111型前驱体)的XRD图;
图6a为实施例2制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 111型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图6b为实施例2制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 111型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图7a为实施例3中采用的前驱体(NCM 523型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图7b为实施例3制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 523型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图8为实施例3制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 523型前驱体)的XRD图;
图9a为实施例3制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 523型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图9b为实施例3制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 523型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图10a为实施例4中采用的前驱体(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图10b为实施例4制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图11为实施例4制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的XRD图;
图12a为实施例4制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图12b为实施例4制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图13a为实施例5中采用的前驱体(NCM 811型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图13b为实施例5制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 811型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图14为实施例5制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 811型前驱体)的XRD图;
图15a为实施例5制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 811型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图15b为实施例5制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 811型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图16a为实施例6制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图16b为实施例6制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图17a为实施例7制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图17b为实施例7制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池下1.0C倍率50次充放电循环图;
图18a为实施例8中采用的前驱体(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图18b为实施例8制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图19为实施例8制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的XRD图;
图20a为实施例8制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图20b为实施例8制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池在1.0C倍率下50次充放电循环图;
图21a为对比例1中采用的前驱体(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图21b为对比例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的扫描电镜SEM图;
图22为对比例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)的XRD图;
图23a为对比例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池的首次充放电图;
图23b为对比例1制备的镍钴锰三元正极材料(NCM 622型前驱体)制作的CR2025纽扣半电池1.0C倍率下50次充放电循环图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步说明,但本发明要求保护的范围并不限于此。
本发明具体实施例中采用的锂源为碳酸锂,为确保镍钴锰三元前驱体和碳酸锂均匀混合,在称量碳酸锂前,首先对碳酸锂进行球磨处理,球磨30min,确保其粒度均匀一致,平均粒径为3~6μm;过筛后,准确称取碳酸锂粉末。
实施例1
镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为4μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.03的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至875℃,4小时从875℃连续升温至900℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用100目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体);
小颗粒(4μm)NCM622型前驱体和制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别如图1a和图1b所示,由图1a和图1b可知,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的形貌,颗粒表面的次生晶粒发育完整,呈条状,具有较高的比表面积,有利于锂离子的脱嵌。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图如图2所示,由图2可知,XRD图具有尖锐的特征峰,表明制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图3a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.5~4.3V,首次放电效率90.58%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图3b所示,由图3b可知,放电克容量为167.5mAh/g,循环50次后容量保持率为87.2%。
实施例2
镍钴锰三元正极材料(NCM111型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM111型三元前驱体Ni0.3Co0.3Mn0.3(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.10的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至700℃,升温速率为10℃/min,并保温6h;保温结束后,以升温速率10℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至925℃,4小时从925℃连续升温至1000℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM111型前驱体);
NCM111型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别如图4a和图4b所示,由图4a和图4b可知,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的形貌,颗粒表面的次生晶粒发育完整,呈条状,具有较高的比表面积,有利于锂离子的脱嵌。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM111型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图如图5所示,由图5可知,XRD图具有尖锐的特征峰,表明制备的镍钴锰三元正极材料(NCM111型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM111型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图6a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.4V,首次放电效率87.27%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图6b所示,由图6b可知,放电克容量为142.1mAh/g,循环50次后容量保持率为95.2%。
实施例3
镍钴锰三元正极材料(NCM523型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM523型三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.06的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至650℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至875℃,6小时从875℃连续升温至950℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM523型前驱体);
NCM523型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别如图7a和图7b所示,由图7a和图7b可知,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的粒度分布,颗粒表面的次生晶粒呈厚块状,反应活性面积大,有利于锂离子的脱嵌和容量的发挥。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM523型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图如图8所示,由图8可知,XRD图具有尖锐的特征峰,表明制备的镍钴锰三元正极材料(NCM523型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM523型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图9a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.3V,首次放电效率87.99%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图9b所示,由图9b可知,的放电克容量为159.4mAh/g,循环50次后容量保持率为96.6%。
实施例4
镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.03的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至875℃,4小时从875℃连续升温至900℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体);
NCM622型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别如图10a和10b所示,由图10a和图10b可知,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的粒度分布,球形度好,颗粒表面的次生晶粒发育完整,具有较高的比表面积和反应活性面积,适用于制备容量型电池。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图如图11所示,由图11可知,XRD图具有尖锐的特征峰,表明制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图12a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.3V,首次放电效率87.89%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图12b所示,由图12b可知,的放电克容量为169mAh/g,循环50次后容量保持率为94.3%。
实施例5
镍钴锰三元正极材料(NCM811型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.01的摩尔比例称取氢氧化锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,2小时从725℃连续升温至750℃,再2小时从750℃连续升温至775℃,8小时从775℃连续升温至800℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM811型前驱体);
NCM811型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图如图13a和13b所示,由图13a和图13b可知,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的粒度分布,球形度好,颗粒表面的次生晶粒发育完整,具有较高的比表面积和反应活性面积,适用于制备容量型电池。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM811型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图如图14所示,由图14可知,XRD图具有尖锐的特征峰,表明制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM811型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图15a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.3V,首次放电效率89.31%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图15b所示,由图15b可知,的放电克容量为189.2mAh/g,循环50次后容量保持率为88.1%。
实施例6
镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.03的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至875℃,4小时从875℃连续升温至900℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体);
NCM622型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别参见图10a和图10b,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的粒度分布,球形度好,颗粒表面的次生晶粒发育完整,具有较高的比表面积和反应活性面积,适用于制备容量型电池。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图参见图11,XRD图具有尖锐的特征峰,制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图16a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.25V,首次放电效率87.07%;在2.8~4.25V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图16b所示,由图16b可知,的放电克容量为161.4mAh/g,循环50次后容量保持率为94.7%。
实施例7
镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.03的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至875℃,4小时从875℃连续升温至900℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体);
NCM622型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别参见图10a和图10b,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的粒度分布,球形度好,颗粒表面的次生晶粒发育完整,具有较高的比表面积和反应活性面积,适用于制备容量型电池。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图参见图11,XRD图具有尖锐的特征峰,制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图17a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.4V,首次放电效率88.01%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图17b所示,由图17b可知,的放电克容量为165.5mAh/g,循环50次后容量保持率为95.8%。
实施例8
镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的制备,具体包括如下步骤:
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为18μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.03的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至725℃,1小时从725℃连续升温至825℃,再1小时从825℃连续升温至875℃,4小时从875℃连续升温至900℃,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用300目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体);
大粒径(18μm)NCM622型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别如图18a和图18b所示,由图18a和图18b可知,经煅烧处理的样品基本保持了前驱体原有的粒度分布,球形度好,颗粒表面的次生晶粒发育完整,具有较高的比表面积和反应活性面积,适用于制备容量型电池。
制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的X射线衍射(XRD)分析图如图19所示,由图19可知,XRD图具有尖锐的特征峰,表明制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)阳离子混排程度低、结晶度好。
将得到的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图20a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.3V,首次放电效率88.49%;在2.8~4.3V、1.0C倍率下50次充放电循环图如图20b所示,由图20b可知,的放电克容量为161.1mAh/g,循环50次后容量保持率为94.5%。
对比例1
(1)准确称取80.0000g的NCM622型三元前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2样品(平均粒径为10μm),按M(M=Ni、Co和Mn):Li=1:1.03的摩尔比例称取碳酸锂粉末作为锂源,精确至0.0001g,与前驱体样品一同加入密封玻璃瓶中,剧烈振荡30分钟,混合均匀,得到混合粉体;
(2)空气氛围下,将混合粉体首先由室温加热至600℃,升温速率为5℃/min,并保温5h;保温结束后,以升温速率5℃/min升温至850℃,保温10h,结束后随炉冷却至室温;取出成品,用200目标准筛过筛、除磁,得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体);
NCM622型前驱体及制备的镍钴锰三元正极材料的扫描电镜SEM图分别如图21a和图21b所示,由图21a和图21b可知,虽然颗粒的次生晶粒发育完整,但是样品存在结块现象,破环了原有球形度,且与实施例4制备的镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)的电镜图(图10b)对比可知,对比例中存在较多的微粉,为非六方层状结构的杂质相,X射线衍射(XRD)分析图(如图22所示)可知,(I006+I102)/I101的值为1.108,说明结晶度较差,影响了锂离子的脱嵌。
将得到镍钴锰三元正极材料(NCM622型前驱体)用于制作CR2025纽扣电池,以电流密度20mA/g进行简单充放电测试,如图23a所示(圆圈表示为充电曲线,方块表示为放电曲线,充放电克容量为方块在2.5V时),首次充放电范围2.8~4.3V,首次放电效率85.06%;在2.8~4.3V,1.0C倍率下50次充放电循环图如图23b所示,由图23b可知,的放电克容量为153.6mAh/g,循环50次后容量保持率为89.8%。

Claims (3)

1.一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)配锂混合:将镍钴锰三元前驱体和锂源粉末置于密封容器中,剧烈振荡,混合均匀,得到混合粉体;所述镍钴锰三元前驱体为镍钴锰三元复合氢氧化物,化学式为NixCoyMnz(OH)2,其中x+y+z=1,0.3≤x≤0.8,0.1≤y≤0.4,0.1≤z≤0.4;所述镍钴锰三元前驱体包括NCM111型前驱体Ni0.3Co0.3Mn0.3(OH)2、NCM523型前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、NCM622型前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2或NCM811型前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2
(2)煅烧:将混合粉体置于管式炉中进行低温煅烧,低温煅烧结束后,再进行高温煅烧,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~1000℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为温区Ⅰ、温区Ⅱ和温区Ⅲ,且各温区内最高温度与最低温度的温差不低于25℃,在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时;高温煅烧结束后随炉自然冷却至室温,取出,过筛、除磁,得到所述提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料;所述过筛是过 100~300 目标准筛; 镍钴锰三元前驱体为NCM523型前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~950℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~825℃的温区Ⅰ、825~875℃的温区Ⅱ和875~950℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时;镍钴锰三元前驱体为NCM622型前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~900℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~825℃的温区Ⅰ、825~875℃的温区Ⅱ和875~900℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时;镍钴锰三元前驱体为NCM811型前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~800℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~750℃的温区Ⅰ、750~775℃的温区Ⅱ和775~800℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时;
镍钴锰三元前驱体为NCM111型前驱体Ni0.3Co0.3Mn0.3(OH)2时,所述高温煅烧是以升温速率5~10℃/min从低温煅烧结束的温度加热至725℃后,在725℃~1000℃温度范围内分三个逐级递增的温区,依次为725~825℃的温区Ⅰ、825~925℃的温区Ⅱ和925~1000℃的温区Ⅲ,且在各温区内均分别进行连续升温煅烧,温区Ⅰ的运行时间为1~2小时,温区Ⅱ的运行时间为1~2小时,温区Ⅲ的运行时间为4~8小时。
2.根据权利要求1所述的一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述镍钴锰三元前驱体的平均粒径为4~18μm;所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂或硝酸锂;所述锂源粉末的粒径为3~6μm;所述镍钴锰三元前驱体和锂源按M与Li的摩尔比为1:1.01~1.10进行添加,其中M= Ni、Co和Mn。
3.根据权利要求1所述的一种提高锂离子电池首次放电效率的镍钴锰三元正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述低温煅烧是以升温速率5~10℃/min从室温加热至600~700℃后,保温5~6h。
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