CN108923043A - 一种高镍多元正极材料的制备方法 - Google Patents

一种高镍多元正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明方案公开了一种高镍多元正极材料的制备方法，包括以下步骤：对高镍多元正极材料的原料进行脱水处理，再将脱水处理后的原料混合后烧结制得所述高镍多元正极材料；所述原料包括前驱体和锂源原料。所述脱水处理为加热脱水处理，所述加热脱水处理操作具体为：对前驱体和锂源原料分别进行加热脱水处理。与现有技术相比，该方法具有生产效率高、制造成本低及设备使用寿命长等优点，本发明方案使得生产量可提高至2.5倍以上；炉体、匣钵寿命提高3倍以上，运营成本至少降低10‑30％。

Description

一种高镍多元正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种高镍多元正极材料的制备方法。
背景技术
随着环境日益恶劣和新能源科技的发展，人们对清洁能源及储能越来越重视，锂电池在当前及未来的新能源领域中具有举足轻重的作用。能量密度是考量锂电池性价比的一项重要指标，也是当前锂电技术中困难最大的，为加快高能量密度锂电池技术的开发，国家政策对能量密度的提高进行补贴。按照国家动力电池技术路线图的规划，2020年锂离子电池的单体能量密度目标为350Wh/kg，为实现这一目标，必须使用高性能的高镍多元材料高镍多元正极材料(NCM811或NCA等)与硅碳负极组合已被新能源行业内公认为高比能量锂离子动力电池的技术路线。然而，高镍多元正极材料的制造还面临着较多问题，目前生产中使用的前驱体为氢氧化物，分子中含水；锂源一水合氢氧化锂含一个结晶水，生产中带入了大量的水。由于镍基材料，颗粒表面会发生自发反应Ni3+会转变为Ni2+，释放O2-，若材料生产中存在水分，则产生不可逆的反应，生成NiO和LiOH，造成电池容量衰减，因此，水分控制对于高镍多元正极材料的生产具有重要意义。若高镍多元正极材料与水分发生了反应，通过常规干燥过程根本无法再次去除水分的影响，因此，在高镍多元正极材料生产过程中尤其需要注重水分的控制。
现有技术中，高镍多元正极材料制备过程中水分控制主要集中在生产的后段，却未在反应过程中对水分进行控制技术研究。若原料中含有大量的水分，则会造成物料混合不均匀且原料中所含水分在反应过程中蒸发将形成大量的水蒸气(每生产1kg的高镍多元正极材料将约产生0.46kg的水蒸汽)，轨道窑内大量水蒸气的存在会导致氧浓度低下，匣体内没有充足的氧气，则会使得氧化反应不充分，进而导致生产的高镍多元正极材料存在多种性能缺陷；而若要提高氧浓度，则需要供给大量的氧气，这将导致氧气成本增加1倍以上，同时，水份高使得轨道内的耐热材料、SiC发热管等的腐蚀严重，使得设备的使用寿命被缩短三分之二，不仅会增加生产成本，而且还会引入新的杂质。因此，对于反应过程中的水分控制具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种产品性能好且生产成本低的高镍多元正极材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高镍多元正极材料的制备方法，包括以下步骤：对高镍多元正极材料的原料进行脱水处理，再将脱水处理后的原料混合后烧结制得高镍多元正极材料；
其中，所述原料包括前驱体和锂源原料。
进一步地，所述前驱体为共沉淀氢氧化物前驱体，所述锂源原料为一水合氢氧化锂。
进一步地，所述脱水处理为加热脱水处理。
进一步地，所述加热脱水处理操作具体为：对前驱体和锂源原料分别进行加热脱水处理。
进一步地，所述前驱体的脱水温度为450～600℃，脱水处理时间为0.5～3.5h。
进一步地，所述锂源原料的脱水温度为150～300℃，脱水处理时间为0.5～3.5h。
优选地，所述高镍多元正极材料为LiNixCoyM1-x-yO2，其中，所述x≥0.60，更优选地，所述x≥0.80。
优选地，所述M为Mn或Al元素中的至少一种。
优选地，所述高镍多元正极材料为NCM811或NCA。
进一步地，所述烧结是在空气或纯氧的氛围中进行。
进一步地，所述烧结温度为750～1000℃，烧结时间为8～18h。
优选地，烧结时间为10～15h。
进一步地，所述原料中前驱体中的金属元素总物质的量(各金属元素物质的量之和)与锂源原料中Li的物质的量之比为1:1.02～1.1。
本发明的有益效果在于：采用本发明方案制备高镍多元正极材料，具有生产效率高、制造成本低及设备使用寿命长等优点；同时，经脱水后的原料匣体装填量更高，使得生产量可提高至2.5倍以上；原料中不含水分，使得炉体、匣钵寿命提高3倍以上，同时减少了氧气和匣钵的消耗量，运营成本至少降低了10-30％。
附图说明
图1为本发明实施例的操作流程图；
图2为本发明实施例的升温曲线示意图；
图3为本发明实施例与传统工艺的操作流程示意图；
图4为传统工艺的升温曲线示意图；
图5为本发明实施例1的共沉淀氢氧化物前驱体的差热分析图；
图6为本发明实施例1的一水合氢氧化锂的差热分析图；
图7为本发明实施例1制得的高镍多元正极材料低倍率下的扫描电镜图；
图8为本发明实施例1制得的高镍多元正极材料中低倍率下的扫描电镜图；
图9为本发明实施例1制得的高镍多元正极材料中高倍率下的扫描电镜图；
图10为本发明实施例1制得的高镍多元正极材料高倍率下的扫描电镜图；
图11为本发明实施例1制得的高镍多元正极材料的XRD图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明的实施例一为：一种高镍多元正极材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：利用两条回转窑对共沉淀氢氧化物前驱体和一水合氢氧化锂分别进行脱水处理，其中共沉淀氢氧化物前驱体(镍钴锰的氢氧化物)回转窑中的脱水温度为550℃，脱水时间为1小时；一水合氢氧化锂回转窑中的脱水温度为250℃，脱水时间为1小时；所述再将脱水处理后的共沉淀氢氧化物前驱体和一水合氢氧化锂计量后，经多功能混合机混合(按Li与镍钴锰物质的量之和的比为1.05：1混合)后，装钵后在氧气流中烧结制得高镍多元正极材料，所述烧结的温度为750℃，烧结时间为12h，烧结过程升温曲线示意图如图2所示。
其中，本发明方案处理后的共沉淀氢氧化物前驱体和一水合氢氧化锂的单位匣钵装填量可达6.0kg，而传统工艺中，如图3所示，由于含水量高，单位匣钵装填量仅可达3.5kg，因此，本发明方案相对于传统工艺单位匣钵的处理量可达1.7倍，传统工艺的升温曲线示意图如图4所示，传统工艺的烧结过程至少需要18h，而本发明方案仅需12h，因此，本发明方案的处理速度可达传统工艺的1.5倍，本发明方案的常规40米窑炉月生产量可达150MT，而传统工艺仅月生产量仅为60MT，因此，本发明方案的生产量可达传统工艺的2.5倍。
传统工艺烧结过程的化学反应方程式如下：
Me(OH)2+LiOH·H2O+1/4O2→LiMeO2+5/2H2O
本发明方案烧结过程中的化学反应方程式如下：
MeOx+LiOH+1/4O2→LiMeO2+1/2H2O
由上述方程式可知，本发明方案烧结过程中生成的水蒸气量减少至原来的1/5。传统工艺中，每生产1kg正极材料，会生成0.46kg的水，以800℃计算，该部分生成水将形成2.26m3的水蒸气，这些水蒸气不仅会造成反应体系内氧气浓度的下降，而且还会对设备造成损坏，因此，采用本发明方案可大大节约生产成本。
本发明实施例二为一种高镍多元正极材料的制备方法，其与实施例一的区别仅在于：所述共沉淀氢氧化物前驱体回转窑中的脱水温度为600℃，脱水时间为0.5小时；一水合氢氧化锂回转窑中的脱水温度为300℃，脱水时间为0.5小时，烧结温度为700℃，烧结时间为18小时。
本发明实施例三为一种高镍多元正极材料的制备方法，其与实施例一的区别仅在于：所述共沉淀氢氧化物前驱体回转窑中的脱水温度为450℃，脱水时间为3小时；一水合氢氧化锂回转窑中的脱水温度为150℃，脱水时间为3小时，烧结温度为1000℃，烧结时间为8小时。
对上述实施例中的原料及制得的产品进行了系列表征测试，具体如下：
1)差热分析测试：
取本发明方案的原料共沉淀氢氧化物前驱体和一水合氢氧化锂分别进行差热分析实验，实验结果如图5和6所示。
2)形貌表征：
取实施例1制得的高镍多元正极材料进行扫描电子显微镜(scanning electronmicroscope，SEM)表征其微观形貌，不同倍率下的SEM图分别如图7-10所示，从图中可以看出，本发明方案制得的高镍多元正极材料形貌均一且分散性好。
3)X射线衍射分析仪(X-ray Powder diffractometer，XRD)测试
取实施例1制得的高镍多元正极材料进行XRD测试实验，测试结果如图11所示，由图11可以看出，本发明方案制得的三元正极材料的XRD图呈现典型的层状六方结构，与LiNiO2(JCPDS#09-0063)的衍射峰一致，且没有其他杂峰，由此表明所制得的镍钴锰酸锂正极材料的纯度极高。
4)粒度分析测试
取实施例1-3制得的高镍多元正极材料通过激光粒度仪分析产物粒度，分析结果如表1所示：
表1粒度分析结果
实施例 D0(％) D10(％) D50(％) D90(％) D100(％)
1 1.66 4.14 9.26 18.60 35.30
2 1.66 3.44 7.17 13.90 27.30
3 2.44 9.68 19.50 35.30 58.90
5)比表面积测试
取实施例1-3制得的高镍多元正极材料通过比表面测试仪测定材料的比表面积，测试结果如表2所示：
表2
实施例 1 2 3
比表面积(m2/g) 0.672 0.599 0.682
6)元素分析测试
取实施例1-3制得的高镍多元正极材料进行元素分析测试实验，通过电感耦合等离子体光谱仪(ICP)，分析结果如下表3所示：
表3
7)残余锂量测试
取实施例1-3制得的高镍多元正极材料进行残余锂量测试实验，测试结果如下表4所示：
表4
实施例 pH 总碱(％) LiOH(％) Li2CO3(％)
1 12.50 0.760 0.553 0.207
2 12.18 0.641 0.419 0.222
3 11.97 0.759 0.243 0.516
8)水分测试
取实施例1-3制得的高镍多元正极材料通过卡尔费休水分仪进行水分测试实验，测试结果如下表5所示：
表5
实施例 1 2 3
水分(ppm) 264 219 234
从表5可以看出，本发明方案制得的高镍多元正极材料中水分残余里极低。
综上所述，本发明提供的一种高镍多元正极材料的制备方法，该方法具有生产效率高、制造成本低及设备使用寿命长等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：对高镍多元正极材料的原料进行脱水处理，再将脱水处理后的原料混合后烧结制得所述高镍多元正极材料；
其中，所述原料包括前驱体和锂源原料。
2.根据权利要求1所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述前驱体为共沉淀氢氧化物前驱体，所述锂源原料为一水合氢氧化锂。
3.根据权利要求1所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述脱水处理为加热脱水处理。
4.根据权利要求3所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述加热脱水处理操作具体为：对前驱体和锂源原料分别进行加热脱水处理。
5.根据权利要求4所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述前驱体的脱水温度为450～600℃，脱水处理时间为0.5～3.5h。
6.根据权利要求4所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂源原料的脱水温度为150～300℃，脱水处理时间为0.5～3.5h。
7.根据权利要求1-5任一项所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述高镍三元正极材料为LiNixCoyM1-x-yO2，其中，所述x≥0.60。
8.根据权利要求1-5任一项所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述烧结是在空气或氧气的氛围中进行。
9.根据权利要求1-5任一项所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为700～1000℃，烧结时间为8～18h。
10.根据权利要求9所述的高镍多元正极材料的制备方法，其特征在于：烧结时间为10～15h。
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