CN108539138A - 一种锂离子正极材料及其制备方法与锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子正极材料及其制备方法与锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子正极材料及其制备方法与锂离子电池。该正极材料主要为LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4的混合物，其中，0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1，a+b+c＝1；0≤α＜2，0＜β＜2；该正极材料的制备步骤包括：1)将LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4混合均匀，加入包覆剂，继续混合，得前驱体；2)将上述前驱体进行烧结，得锂离子正极材料；一种锂离子电池，包含有该正极材料。该锂离子正极材料综合利用了LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4各自的优点，取长补短，使得电池的综合性能得到有效提高，同时也拓宽了其应用范围，且该制备方法简单易行，对设备要求简单，工艺可控性强，成本低，可用于工业化生产。

Description

一种锂离子正极材料及其制备方法与锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子正极材料，尤其涉及一种锂离子正极材料及其制备方法与锂离子电池。
背景技术
尖晶石正极材料，尤其是镍锰酸锂正极材料，由于其倍率性能优异、工作电压高，成本低廉，在高能锂离子电池领域的应用极具潜力，但尖晶石镍锰酸锂正极材料表面结构不稳定，与电解液之间的副反应较为严重，且循环过程中的金属锰易溶出，循环性能差等缺点严重抑制了其规模化应用，目前解决上述问题的方法大致包括两类：1、在镍锰酸锂材料中掺杂比Li+、Ni2+、Mn4+、O2-作用力更强的其他离子占据其相应位置，与O结合形成比Mn-O键能更稳定的化学键来稳定镍锰酸锂晶格结构；2、在镍锰酸锂材料的表面包覆一层直接与电解液接触的保护材料，但上述工艺复杂，且很难在尖晶石镍锰锂材料表面形成致密的包覆层。
而层状正极材料，尤其是高镍的层状材料，由于具备高的容量，相对较低的开路电压，稳定的表面结构，与电解液的副反应较少，在电动汽车中使用尤其广泛，受到众多研究人员及企业的青睐，但其储存性能、倍率性能较差，从而限制了其进一步发展。
因而，如何综合利用尖晶石材料和层状正极材料各自的优异性能，取长补短，同时解决两种材料中的缺陷，使得尖晶石正极材料和层状正极材料能更充分地发挥各自的优点，进一步提高电池的电化学性能，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子正极材料及其制备方法与锂离子电池。该锂离子正极材料综合利用了两种正极材料各自的优点，进一步提高了电池的综合性能。
具体地，本发明将两种正极材料混合包覆，形成固溶体锂离子正极材料，使之同时具备两种材料的优点，取长补短，从而提高电池的综合性能。
据此，本发明所采取的技术方案是：
一种锂离子正极材料，其特征在于：材料主要为LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4的混合物，其中，0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1，a+b+c＝1，0≤α＜2，0＜β＜2。
作为优选的方案，上述的LiNiaMnbCocO2为含镍正极材料，即：0＜a＜1，0≤b＜1，0≤c＜1。
作为进一步优选方案，LiNiaMnbCocO2为高镍正极材料，即：0.5≤a＜1，0≤b＜1，0≤c＜1。
作为更优选的方案，LiNiaMnbCocO2为包括Mn和Co的三元高镍正极材料，即：0.5≤a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1。
优选地，LiNiαMnβO4选自LiNi0.5Mn1.5O4、LiMn2O4或其混合物。
更优选地，LiNiαMnβO4选自LiNi0.5Mn1.5O4。
优选地，LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4的质量比为(0.01～0.99)：(0.99～0.01)，当LiNiaMnbCocO2的质量大于LiNiαMnβO4时，其循环性能和放电容量性能更突出，当LiNiaMnbCocO2的质量小于LiNiαMnβO4时，其高温性能和倍率性能更突出，当LiNiaMnbCocO2的质量与LiNiαMnβO4接近时，其循环性能、放电容量、高温性能和倍率性能综合提高。
更优选地，LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4的质量比为(0.2～0.8)：(0.8～0.2)。
本发明的另一目的在于提供上述材料的制备方法，步骤包括如下：
1)将LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4混合均匀，加入包覆剂，继续混合，得前驱体；
2)将上述前驱体进行烧结，得锂离子正极材料。
优选地，步骤2)中烧结后的产品还包括进行破碎，分级处理，目的在于获得理想粒度的锂离子正极材料。
优选地，步骤1)中的包覆剂选自ZnO、SiO2、Al2O3、AlPO4、ZrO2、TiO2中的至少一种。
优选地，步骤1)中的包覆剂的投料量为LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4总质量的0.05～1％。
优选地，包覆剂的投料量为LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4总质量的0.2％。
优选地，步骤2)中的烧结，其温度为500～1000℃，时间为4～8h。
更优选地，步骤2)中的烧结，其温度为600～700℃，时间为5～7h。
优选地，步骤2)中的烧结气氛为含氧气氛。
一种锂离子电池，其包含有上述的锂离子正极材料。
综上所述，本发明通过简单的方法将两种正极材料的优异性能融合在一起，并且两种材料发挥取长补短的作用，有效提高电池的综合性能。
本发明的有益效果是：
1、本申请制备的锂离子正极材料，综合利用了LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4各自的优点，取长补短，使得电池的综合性能得到有效提高，同时也拓宽了其应用范围。
2、通过调节LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4配比，可以调节锂离子正极材料的电化学性能，随着LiNiaMnbCocO2量的增大，其循环性能和放电容量提高，随着LiNiαMnβO4量的增大，其高温性能和倍率性能提高，因而可以针对不同的需求选取合适的LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4配比来实现。
3、本申请制备锂离子正极材料的方法简单易行，对设备要求简单，工艺可控性强，成本低，可用于工业化生产。
具体实施方式
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。
本试验所用的层状材料和尖晶石材料可按现有的制备方法制备得到或直接购买，为方便比较，本试验使用的层状正极材料和尖晶石正极材料的制备方法如下：
1、LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2的制备方法：
1)按摩尔比为1.06分别称取碳酸锂(Li2CO3)和化学式为Ni0.55Co0.15Mn0.3(OH)2的前驱体(由湖南邦普循环科技有限公司提供)，后进行机械混料，
2)将上述混料后的混合物放入管式炉中，在含氧气氛下以5℃/min程序升温至900℃下烧结14h，后随炉冷却至室温，破碎，分级得到LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2层状正极材料。
2、LiNi0.55Co0.12Mn0.33O2的制备方法：
1)按摩尔比为1.04分别称取Li2CO3和化学式为Ni0.55Co0.12Mn0.33(OH)2的前驱体(由湖南邦普循环科技有限公司提供)，后进行机械混料，
2)将上述混料后的混合物放入管式炉中，在含氧气氛下以3.5℃/min程序升温至900℃下烧结14h，后随炉冷却至室温，破碎，分级得到LiNi0.55Co0.12Mn0.33O2层状正极材料。
3、LiNi0.5Mn1.5O4的制备方法：
1)按摩尔比为1.02分别称取Li2CO3和化学式为Ni0.25Mn0.75(OH)2的前驱体(由湖南邦普循环科技有限公司提供)，后进行机械混料，
2)将上述混合物放入管式炉中，在含氧气氛下以3.5℃/min程序升温至950℃烧结10h后，后随炉冷却至室温，破碎、分级得到LiNi0.5Mn1.5O4正极材料。
实施例1
1)分别称取1kg LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2和1kg LiNi0.5Mn1.5O4于混料设备中，以400r/min的速度，混料30min，加入4g Al2O3，继续混料20min，后装入匣钵中；
2)将上述材料放置匣钵中，于650℃含氧气氛下烧结6h，后破碎，分级得到锂离子正极材料(0.5LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2﹒0.5LiNi0.5Mn1.5O4)。
实施例2
1)分别称取1kg LiNi0.55Co0.12Mn0.33O2和1kg LiNi0.5Mn1.5O4于混料设备中，以400r/min的速度，混料30min，加入8g SiO2，继续混料20min，后装入匣钵中；
2)将上述材料放置匣钵中，于700℃含氧气氛下烧结5h，后破碎，分级得到锂离子正极材料(0.5LiNi0.55Co0.12Mn0.33O2﹒0.5LiNi0.5Mn1.5O4)。
实施例3
1)分别称取0.4kg LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2和1.6kg LiNi0.5Mn1.5O4于混料设备中，以400r/min的速度，混料30min，加入4g ZnO，继续混料20min，后装入匣钵中；
2)将上述材料放置匣钵中，于800℃含氧气氛下烧结4h，后破碎，分级得到锂离子正极材料(0.2LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2﹒0.8LiNi0.5Mn1.5O4)。
实施例4
1)分别称取1.4kg LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2和0.6kg LiNi0.5Mn1.5O4于混料设备中，以400r/min的速度，混料30min，加入10g Al2O3，继续混料20min，后装入匣钵中；
2)将上述材料放置匣钵中，于650℃含氧气氛下烧结7h，后破碎，分级得到锂离子正极材料(0.7LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2﹒0.3LiNi0.5Mn1.5O4)。
对比例1
1)称取1kg LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2于混料设备中，以400r/min的速度，混料30min，加入4g Al2O3，继续混料20min，后装入匣钵中；
2)将上述材料放置匣钵中，于650℃含氧气氛下烧结6h，后破碎，分级得到锂离子正极材料。
对比例2
1)称取1kg LiNi0.5Mn1.5O4于混料设备中，以400r/min的速度，混料30min，加入4gAl2O3，继续混料20min，后装入匣钵中；
2)将上述材料放置匣钵中，于650℃含氧气氛下烧结6h，后破碎，分级得到锂离子正极材料。
性能测试：
1、制备测试电池：
以上述实施例1～4和对比例1～2为正极材料，PVDF为粘结剂，活性炭为导电剂，三者的质量百分比为90：5：5，NMP为溶剂，搅拌成浆料，利用涂布机将浆料均匀涂布在铝箔上，烘干后制成正极片，电解液为1.02mol/L的六氟磷酸锂，DMC/EMC/PC溶剂以及其他添加剂，以石墨为负极，制成软包电池。通过化成，老化后，测试电池的放电容量，不同电流条件下的倍率性能、循环性能以及储存性。
2、电化学性能测试条件：
(1)放电容量：先以0.1C充电至4.25V，恒压至0.05C，在室温下以0.1C倍率放电至3.0V，放电初始电压为4.25V；
(2)循环性能：在3.0～4.25V的电压范围中，以1C充电，1C放电循环至其容量保持率为80％；
(3)高温储存性能：将电芯满充至4.25V，后放置于60℃的烘箱中烘烤15天，记录烘烤前后的电芯体积变化，记录体积变化率；
(4)倍率性能：在室温下分别将以0.1C恒流充电至4.25V，后恒压充电至0.05C；再分别以0.1C和1C恒流放电至3.0V，记录0.1C和1C的放电容量。
3、不同实施例和对比例的电化学性能测试如表1：
表1
注：表1中的高温储存性能的数据为：(烘烤后电芯的体积-烘烤前电芯的体积)/烘烤前电芯的体积×100％；倍率性能的数据为：(1C倍率放电容量/0.1C倍率放电容量)×100％。
由上表可知：实施例1～4的放电容量和循环性能相对于对比例2(尖晶石正极材料)有明显的提高，而高温储存性能及倍率性能相对于对比例1(层状正极材料)也有显著提高，这说明，尖晶石正极材料和层状正极材料有效融合，相互协同配合，充分发挥各自的优点，使得电池材料的综合性能提高。

Claims (10)

1.一种锂离子正极材料，其特征在于：所述材料主要为LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4的混合物，其中，0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1，且a+b+c＝1；0≤α＜2，0＜β＜2。
2.根据权利要求1所述的锂离子正极材料，其特征在于：0＜a＜1，0≤b＜1，0≤c＜1。
3.根据权利要求2所述的锂离子正极材料，其特征在于：0.5≤a＜1。
4.根据权利要求1所述的锂离子正极材料，其特征在于：所述LiNiαMnβO4选自LiNi0.5Mn1.5O4、LiMn2O4或其混合物。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的锂离子正极材料，其特征在于：LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4的质量比为(0.01～0.99)：(0.99～0.01)。
6.权利要求1所述的锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4混合均匀，加入包覆剂，继续混合，得前驱体；
2)将上述前驱体烧结，得锂离子正极材料。
7.根据权利要求6所述的锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的包覆剂选自ZnO、SiO2、Al2O3、AlPO4、ZrO2、TiO2中的至少一种。
8.根据权利要求6或7所述的锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的包覆剂的投料量为LiNiaMnbCocO2和LiNiαMnβO4总质量的0.05～1％。
9.根据权利要求6所述的锂离子正极材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的烧结，其温度为500～1000℃，时间为4～8h。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述的锂离子电池中包含有权利要求1～5任一项所述的锂离子正极材料。
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