CN108847485A - 一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，该方法将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锰的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体，前体在碱性条件下被加入到锂盐溶液中，以形成前驱体，前驱体和锂盐混合球磨、粉碎、烧制，得到氧化锰镍钴锂，其优点是：通过将锂化合物和氧化锰镍钴锂在溶剂中充分混合，可以提高锂元素分布的均匀性，制备的材料满足化学计量，从而大大提高了材料的循环稳定，在600℃～1000℃的温度下氧化气氛焙烧6～30h，分解得到复合氢氧化锰溶液，与电解液的相容性好，循环性能优异，冷却，粉碎后，分级，过目筛，混批得到氧化锰镍钴锂，可在小型通讯和小型动力领域地应用。

Description

一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法,尤其是涉及一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法。
背景技术
目前研究较多的锂离子电池的正极材料包括层状结构的过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2，尖晶石结构的LiMn2O4和橄榄石结构的LiFePO4，四种材料各有利弊，例如LiCoO2综合性能优良，是目前唯一大规模商品化的下极材料，但价格昂贵、容量较低、毒性较大，存在一定的安全性问题，LiNiO2成本较低、容量较高，但制备困难，材料性能的一致性和重现性差，存在较为严重的安全性问题，尖晶石结构的LiMn2O4成本较低、安全性好，但循环性能尤其是高温循环性能差，并且在电解液中有一定的溶解性，因而储存性能差，近年来，人们发现以镍、锰取代钴是提高材料综合性能、降低材料成本的有效途径之一，例如，新型正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2集中了LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4的大部分优点：成本低、电压平台高、可逆容量大(160-190mAh/g)、结构稳定、循环性能好、制备条件温和，关于LiNixMnyCo1-x-yO2的制备和性能方面的文献报道较多，制备方法多采用高温固相法与共沉淀法，例如中国专利CN1595680A公开了锂离子蓄电池正极材料地制备方法，该方法包括将镍、锰及钴、钛、铝中至少一种元素的共沉淀氢氧化物或碳酸化合物或其氧化物与氢氧化锂或碳酸锂进行混合后进行松装堆积，然后在压力机上压制造粒，经压制之后的原料再进行高温固相焙烧，冷却后粉碎即得正极材料。
目前研究表明有多种方法案例对比，其中有的制造成本制备条件不符合实际企业要求，其价格昂贵等优点，并且制得的正极材料结构稳定性占比例较小，使得正极材料振实密度低，电池体积比容量低，从而降低了材料的循环稳定性。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，目的是通过将锂化合物和氧化锰镍钴锂在溶剂中充分混合，可以提高锂元素分布的均匀性，制备的材料满足化学计量，从而大大提高了材料的循环稳定。
本发明的技术方案概述如下：
一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，该方法将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锂的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体，前体在碱性条件下被加入到锂盐溶液中，以形成前驱体，前驱体和锂盐混合球磨、粉碎、烧制，得到氧化锰镍钴锂；具体步骤如下：
步骤一、去离子反应：制备Ni2/5Mn2/5Co1/5(OH)2(即x＝y＝2/5)，采用硝酸镍(Ni(NO3)2)、硝酸锰(Mn(NO3)2)和硫酸钴(CoSO4)为原料，其硝酸镍、硝酸锰和硫酸钴原料的摩尔比应该为2∶2∶1；配制锰浓度比例在1.5-3g/l的氢氧化锰溶液，将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锂的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体浆料；
步骤二、前驱体的制备：将前驱体浆料过滤、洗涤、烘干加入锂源溶液、加入反映体系中，维持氨与金属离子的摩尔比，并通过调节NaOH加入量保持PH值恒定后，得到前驱体；
步骤三、烧制：按摩尔比Li∶(Mn+Co+Ni)＝1∶1将锂源物质与氢氧化锂溶液混合，球磨使之混合均匀后，压实，在600℃～1000℃的温度下氧化气氛焙烧6～30h，分解得到复合氢氧化锰溶液，冷却，粉碎后，分级，过目筛，混批得到氧化锰镍钴锂。
优选的是，去离子水溶液为含摩耳浓度0.1-1M的硼酸、氯化铝、硫酸铝、氯化镁、硫酸镁、氯化钡、五氧化二磷中一种或多种化合物的去离子水溶液。
优选的是，硝酸镍在搅拌条件下缓慢加入1500毫升4摩尔/升的NaOH水溶液，控制溶液的温度为50℃，搅拌8小时后过滤，将所得固体在120℃下干燥10小时。
优选的是，反应在50℃±0.5℃温度下进行的。
优选的是，PH值调整为10～12。
优选的是，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-10小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，优选为氧气。
本发明的有益效果是：通过将锂化合物和氧化锰镍钴锂在溶剂中充分混合，可以提高锂元素分布的均匀性，制备的材料满足化学计量，从而大大提高了材料的循环稳定，在600℃～1000℃的温度下氧化气氛焙烧6～30h，分解得到复合氢氧化锰溶液，与电解液的相容性好，循环性能优异，冷却，粉碎后，分级，过目筛，混批得到氧化锰镍钴锂，可在小型通讯和小型动力领域地应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行清楚、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，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，该方法将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锂的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体，前体在碱性条件下被加入到锂盐溶液中，以形成前驱体，前驱体和锂盐混合球磨、粉碎、烧制，得到氧化锰镍钴锂；具体步骤如下：
步骤一、去离子反应：制备Ni2/5Mn2/5Co1/5(OH)2(即x＝y＝2/5)，采用硝酸镍(Ni(NO3)2)、硝酸锰(Mn(NO3)2)和硫酸钴(CoSO4)为原料，其硝酸镍、硝酸锰和硫酸钴原料的摩尔比应该为2∶2∶1；配制锰浓度比例在1.5-3g/l的氢氧化锰溶液，将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锂的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体浆料；
步骤二、前驱体的制备：将前驱体浆料过滤、洗涤、烘干加入锂源溶液、加入反映体系中，维持氨与金属离子的摩尔比，并通过调节NaOH加入量保持PH值恒定后，得到前驱体；
步骤三、烧制：按摩尔比Li∶(Mn+Co+Ni)＝1∶1将锂源物质与氢氧化锂溶液混合，球磨使之混合均匀后，压实，在600℃～1000℃的温度下氧化气氛焙烧6～30h，分解得到复合氢氧化锰溶液，冷却，粉碎后，分级，过目筛，混批得到氧化锰镍钴锂。
其中去离子水溶液为含摩耳浓度0.1-1M的硼酸、氯化铝、硫酸铝、氯化镁、硫酸镁、氯化钡、五氧化二磷中一种或多种化合物的去离子水溶液。
通过硝酸镍在搅拌条件下缓慢加入1500毫升4摩尔/升的NaOH水溶液，控制溶液的温度为50℃，搅拌8小时后过滤，将所得固体在120℃下干燥10小时。
并且反应在50℃±0.5℃温度下进行的。
并且PH值调整为10～12。
并且烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-10小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，优选为氧气。
实施例1：以下化合物以100％纯度计算，按锰、镍、钴和铝原子浓度比Mn∶Ni∶Co∶Al＝0.38∶0.38∶0.2∶0.04称取0.1摩尔醋酸锰24.494g，0.0333摩尔碱式碳酸镍12.53g，0.1摩尔碳酸钴11.89g，0.02摩尔氧化铝1.020g，混合研磨60min后过100目筛，在混合物中加入30ml乙醇浸泡1小时，放在球磨机中以转速140转/分钟球磨混合6小时，再和锂源中氢氧化锂或碳酸锂球磨混合6小时，氢氧化锂或碳酸锂与所混合物中金属原子浓度总和比为0.98-1.2∶1，球磨后的混合材料放入100℃空气干燥箱中15小时烘干，取出研磨过100目筛得到疏松的前驱体，将前躯体置于高温烧结炉中以2℃/min的温速升至400℃恒温烧结15小时，再以相同速度升温至1000℃恒温24小时后，最后以相同温速降至室温，整个合成气氛为干燥空气，流速为0.05升/分钟，冷却到室温后将产物研磨过300目，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-10小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，即得最终产物LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2。
实施例2：以下化合物以100％纯度计算，按锰、镍、钴和铝原子浓度比Mn∶Ni∶Co∶Al＝0.38∶0.38∶0.2∶0.02称取0.1摩尔醋酸锰24.494g，0.0333摩尔碱式碳酸镍10.53g，0.1摩尔碳酸钴11.89g，0.02摩尔氧化铝1.20g，混合研磨60min后过323目筛，在混合物中加入30ml乙醇浸泡1小时，放在球磨机中以转速140转/分钟球磨混合6小时，再和锂源中氢氧化锂或碳酸锂球磨混合6小时，氢氧化锂或碳酸锂与所混合物中金属原子浓度总和比为0.98-1.2∶1，球磨后的混合材料放入100℃空气干燥箱中15小时烘干，取出研磨过100目筛得到疏松的前驱体，将前驱体置于高温烧结炉中以2℃/min的温速升至400℃恒温烧结15小时，再以相同速度升温至1000℃恒温24小时后，最后以相同温速降至室温，整个合成气氛为干燥空气，流速为0.08升/分钟，冷却到室温后将产物研磨过300目，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为5-10小时，优选为5-6小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，即得最终产物LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2。
实施例3：以下化合物以100％纯度计算，按锰、镍、钴和铝原子浓度比Mn∶Ni∶Co∶Al＝0.38∶0.38∶0.2∶0.03称取0.1摩尔醋酸锰24.494g，0.0333摩尔碱式碳酸镍12.53g，0.1摩尔碳酸钴11.89g，0.03摩尔氧化铝1.020g，混合研磨50min后过100目筛，在混合物中加入30ml乙醇浸泡1小时，放在球磨机中以转速140转/分钟球磨混合7小时，再和锂源中氢氧化锂或碳酸锂球磨混合8小时，氢氧化锂或碳酸锂与所混合物中金属原子浓度总和比为0.98-1.2∶1，球磨后的混合材料放入100℃空气干燥箱中15小时烘干，取出研磨过100目筛得到疏松的前驱体，将前驱体置于高温烧结炉中以2℃/min的温速升至400℃恒温烧结15小时，再以相同速度升温至1000℃恒温24小时后，最后以相同温速降至室温，整个合成气氛为干燥空气，流速为0.05升/分钟，冷却到室温后将产物研磨过322目，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-10小时，优选为5-7小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，即得最终产物LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2。
实施例4：以下化合物以90％纯度计算，按锰、镍、钴和铝原子浓度比Mn∶Ni∶Co∶Al＝0.38∶0.38∶0.2∶0.04称取0.2摩尔醋酸锰24.494g，0.0333摩尔碱式碳酸镍12.53g，0.1摩尔碳酸钴11.89g，0.03摩尔氧化铝1.020g，混合研磨60min后过100目筛，在混合物中加入30ml乙醇浸泡1小时，放在球磨机中以转速140转/分钟球磨混合6小时，再和锂源中氢氧化锂或碳酸锂球磨混合6小时，氢氧化锂或碳酸锂与所混合物中金属原子浓度总和比为0.98-1.2∶1，球磨后的混合材料放入100℃空气干燥箱中16小时烘干，取出研磨过100目筛得到疏松的前驱体，将前驱体置于高温烧结炉中以2℃/min的温速升至400℃恒温烧结14小时，再以相同速度升温至1000℃恒温24小时后，最后以相同温速降至室温，整个合成气氛为干燥空气，流速为0.05升/分钟，冷却到室温后将产物研磨过300目，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-8小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，即得最终产物LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2。
实施例5：以下化合物以100％纯度计算，按锰、镍、钴和铝原子浓度比Mn∶Ni∶Co∶Al＝0.38∶0.38∶0.2∶0.04称取0.1摩尔醋酸锰24.494g，0.0333摩尔碱式碳酸镍12.53g，0.1摩尔碳酸钴11.89g，0.02摩尔氧化铝1.020g，混合研磨60min后过100目筛，在混合物中加入30ml乙醇浸泡1小时，放在球磨机中以转速140转/分钟球磨混合6小时，再和锂源中氢氧化锂或碳酸锂球磨混合6小时，氢氧化锂或碳酸锂与所混合物中金属原子浓度总和比为0.98-1.2∶1，球磨后的混合材料放入100℃空气干燥箱中15小时烘干，取出研磨过100目筛得到疏松的前驱体，将前躯体置于高温烧结炉中以2℃/min的温速升至400℃恒温烧结18小时，再以相同速度升温至1000℃恒温24小时后，最后以相同温速降至室温，整个合成气氛为干燥空气，流速为0.08升/分钟，冷却到室温后将产物研磨过300目，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-8小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，即得最终产物LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2。
实施例6：以下化合物以100％纯度计算，按锰、镍、钴和铝原子浓度比Mn∶Ni∶Co∶Al＝0.38∶0.38∶0.2∶0.04称取0.22摩尔醋酸锰24.494g，0.0333摩尔碱式碳酸镍12.53g，0.1摩尔碳酸钴11.89g，0.02摩尔氧化铝1.020g，混合研磨60min后过100目筛，在混合物中加入30ml乙醇浸泡1小时，放在球磨机中以转速140转/分钟球磨混合6小时，再和锂源中氢氧化锂或碳酸锂球磨混合7小时，氢氧化锂或碳酸锂与所混合物中金属原子浓度总和比为0.98-1.2∶1，球磨后的混合材料放入100℃空气干燥箱中15小时烘干，取出研磨过100目筛得到疏松的前驱体，将前躯体置于高温烧结炉中以2℃/min的温速升至400℃恒温烧结15小时，再以相同速度升温至1000℃恒温48小时后，最后以相同温速降至室温，整个合成气氛为干燥空气，流速为0.088升/分钟，冷却到室温后将产物研磨过300目，烧制温度为550-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-7小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，即得最终产物LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的实施例。

Claims (6)

1.一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，其特征在于，该方法将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锂的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体，前体在碱性条件下被加入到锂盐溶液中，以形成前驱体，前驱体和锂盐混合球磨、粉碎、烧制，得到氧化锰镍钴锂；具体步骤如下：
步骤一、去离子反应：制备Ni2/5Mn2/5Co1/5(OH)2(即x＝y＝2/5)，采用硝酸镍(Ni(NO3)2)、硝酸锰(Mn(NO3)2)和硫酸钴(CoSO4)为原料，其硝酸镍、硝酸锰和硫酸钴原料的摩尔比应该为2∶2∶1；配制锰浓度比例在1.5-3g/l的氢氧化锰溶液，将硝酸镍、硝酸锰和硝酸钴溶解在氢氧化锂的溶液中加入750毫升去离子水中反应，形成良好的前体浆料；
步骤二、前驱体的制备：将前驱体浆料过滤、洗涤、烘干加入锂源溶液、加入反映体系中，维持氨与金属离子的摩尔比，并通过调节NaOH加入量保持PH值恒定后，得到前驱体；
步骤三、烧制：按摩尔比Li∶(Mn+Co+Ni)＝1∶1将锂源物质与氢氧化锂溶液混合，球磨使之混合均匀后，压实，在600℃～1000℃的温度下氧化气氛焙烧6～30h，分解得到复合氢氧化锰溶液，冷却，粉碎后，分级，过目筛，混批得到氧化锰镍钴锂。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，其特征在于，去离子水溶液为含摩耳浓度0.1-1M的硼酸、氯化铝、硫酸铝、氯化镁、硫酸镁、氯化钡、五氧化二磷中一种或多种化合物的去离子水溶液。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，其特征在于，硝酸镍在搅拌条件下缓慢加入1500毫升4摩尔/升的NaOH水溶液，控制溶液的温度为50℃，搅拌8小时后过滤，将所得固体在120℃下干燥10小时。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，其特征在于，反应在50℃±0.5℃温度下进行的。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，其特征在于，PH值调整为10～12。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料氧化锰镍钴锂的制备方法，其特征在于，烧制温度为450-700℃，优选为500-650℃；烧制时间为4-10小时，优选为5-8小时，烧制气氛可以是空气，也可以是氧气，优选为氧气。
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CN114361423A (zh) * 2022-01-12 2022-04-15 天能帅福得能源股份有限公司 一种纳米晶铁硅合金基正极材料及其制备方法

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