CN109768275B - 一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，主要包括以下制备步骤：S1，制备钴盐溶液、液碱溶液、钛‑络合液混合溶液备用；S2，将钴盐溶液、液碱溶液、钛‑络合液混合溶液并流加入到反应釜中进行反应，通过共沉淀法制备得到均匀掺钛的氢氧化钴，通过离心洗涤处理去除氢氧化钴中的其它杂质元素，得到杂质含量合格的氢氧化钴；S3，掺钛氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，得到掺钛氧化钴前驱体。采用本发明工艺合成的掺钛锂离子正极材料前驱体，在保证所制备的掺钛锂离子正极材料前驱体强度的同时，所制备的钛元素均匀分布于前驱体更加均匀，有效的弥补了现有技术的缺陷，具有良好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电池材料技术领域，尤其涉及一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法。
背景技术
锂离子电池高电压有几个发展方向：体相匀质掺杂、体相非匀质掺杂、核壳结构；其中体相匀质掺杂，对掺杂相的选择最为重要，在锂离子电池中，一般选用Zr、Al、Ti、Mg作为掺杂相，用来改善在高充电电压状态下锂离子电池正极材料的晶体结构稳定性。Ti是一种非常理想的掺杂相，可以极大的增强正极材料的晶体稳定性。但是要做到锂离子正极材料中，要保证掺杂相的匀一性，至少是同一球环层必须匀一，否则，电池会在掺杂相少的地方，形成薄弱点，高电压充放电过程中，会优先形成晶体结构坍塌，严重影响锂离子电池整体性能。
钛掺杂相，性能好，但是在后期正极材料烧结过程中作为添加剂引入烧结，由于钛的稳定性、高温渗透性差，需要极高的温度才能让掺入的钛高温固体扩散到正极材料中，会极大的提高烧结能耗。
目前NCM三元前驱体就是采用预先配制固定比例共混溶液进行试验或工业生产，由于钛离子极易水解，能够稳定存在的Ti都是只能存在于强酸性水溶液中，通过将钛与其它金属共同配置在一起来制备成所需比例的掺钛前驱体不合理，需要采用其他掺杂形式。
现在使用的混法合成法在前驱体中掺入钛，将纳米级氧化钛直接按照比例泵入反应釜制备得到掺钛前驱体，钛的掺入能极大提高前驱体的强度，但是钛仍不能均匀掺入前驱体中，前驱体表面上能明显看到氧化钛颗粒。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，提出的一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，在锂离子正极材料的前驱体制备过程中掺钛，在保证对生产体系没有太大波动的前提下，将钛以合理的形式掺杂到锂离子正极材料中。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备钴盐溶液、液碱溶液、钛-络合液混合溶液备用；
S2，将钴盐溶液、液碱溶液、氨水和钛-络合液混合溶液并流加入反应釜进行反应，待反应粒度达到7-18um时，经过沉淀后洗涤离心后得到掺均匀钛氢氧化钴；
S3，将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，得到成品掺钛氧化钴前驱体；
所述的掺钛氧化钴前驱体的D50为6～18um，钛的掺杂含量为0.01～0.7％。
作为优选地，在S1中，所述钛-络合液混合溶液由复合络合液和钛溶液混合制备而成。
作为优选地，在S1中，所述复合络合液由20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为5～10:10～15：10的比例混合制备而成。
作为优选地，在S1中，所述钛溶液由二氧化钛溶于混合酸中制备而成，混合酸由37％盐酸与60％硝酸按体积比为2～4:0.5～1.5的比例混合得到，钛溶液的pH控制小于0.5。
作为优选地，在S1中，将钛溶液加入复合络合液中制备钛-络合液混合溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
钛-络合液混合溶液中钛的质量浓度为0.015～1.1g/L，通过调整溶液中钛离子的浓度来控制钛的掺杂含量。
作为优选地，在S1中，制备钴盐溶液的钴源采用硝酸钴、氯化钴和硫酸钴中的至少一种。
作为优选地，在S1中，所述钴盐溶液中钴离子浓度为80-120g/L，液碱溶液中的氢氧化钠浓度为2.5～4mol/L。
作为优选地，在S2中，将钴盐溶液、液碱溶液、氨水和钛-络合液混合溶液通过成品计量泵定量的并流方法加入反应釜，在搅拌条件下，pH控制在9.5～11，反应温度控制在50～70℃，通过共沉淀制备得到Ti均匀掺杂的氢氧化钴，整个过程发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑。
作为优选地，在S2中，先使用碱浓度为1％～5％的稀碱液进行离心洗涤，接着使用纯水洗涤，洗涤过程中，溶液的温度为50～70℃。
作为优选地，在S3中，烧结工艺采用三段烧结，第一段烧结温度为200～350℃，时间为1-3小时，第二段烧结温度为450～500℃，时间为2～5小时，第三段烧烧结结温度为650-750℃，时间为3～6小时，发生如下反应：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
采用在反应釜外预先配制钴盐溶液、液碱溶液、钛-络合液混合溶液，将Ti单独配制成水溶液，有效规避采用固体比例共混配制时整个金属液都呈强酸性的情况，避免对反应釜中合成条件造成干扰，保证反应釜混合制备的合成条件；采用络合剂的方法把部分Ti4+络合成Ti络离子，在溶液中达到络合平衡，大幅度减少离子态Ti4+，选择合适的络合体系，使得Ti4+的过饱和度能够匹配主金属Me的过饱和度，达到匀质共沉淀。
采用本发明工艺合成的掺钛锂离子正极材料前驱体，钛元素均匀分布于前驱体中，电镜下表现为完全无明显第二相的均质共沉淀状态，明显优于纳米氧化钛掺杂型前驱体，在保证所制备的掺钛锂离子正极材料前驱体强度的同时，所制备的钛元素均匀分布于前驱体更加均匀，有效的弥补了现有技术的缺陷，具有良好的实用性。
附图说明
图1为本发明一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法的流程示意图。
图2为本发明制备得到的实施例1掺钛氧化钴前驱体能谱图。
图3为为本发明制备得到的实施例4掺钛氢氧化钴电镜图。
图4为本发明制备得到的实施例4掺钛氧化钴前驱体电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。
如附图1-4所示，一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，具体包括以下步骤：
S1，制备钴盐溶液、液碱溶液、钛-络合液混合溶液备用；
用工业纯水溶解钴盐晶体，经过过滤后制备得到钴离子浓度为80-120g/L的钴盐溶液，钴盐晶体采用硝酸钴、氯化钴和硫酸钴中的至少一种。用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为2.5～4mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为5～10:10～15：10的比例混合制备复合络合液，用37％盐酸与60％硝酸按体积比为2:1.5的比例混合制备混合酸，并将二氧化钛加入混合酸中溶解制备钛溶液，为了保证钛与氢氧化钴均匀共沉淀，形成钛元素均匀掺杂的氢氧化钴，将钛单独配制成水溶液，与金属溶液一起加入反应釜中进行反应，由于钛离子只存在于高酸性水溶液中，pH≥0.5就水解，所以要保证最终钛溶液pH小于0.5，再将钛溶液加入复合络合液中制备钛-络合液混合溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
钛-络合液混合溶液中钛的质量浓度为0.015～1.1g/L，通过调整溶液中钛离子的浓度来控制钛的掺杂含量。
S2，将钴盐溶液、液碱溶液、氨水和钛-络合液混合溶液通过成品计量泵定量的并流方法加入反应釜，在搅拌条件下，pH控制在9.5～11，反应温度控制在50～70℃，将待反应粒度达到7-18um时，经过沉淀后，先使用碱浓度为1％～5％的稀碱液进行洗涤，接着使用纯水洗涤，洗涤过程中，溶液的温度为50～70℃，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，整个过程发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑
沉淀是采用络合剂的方法把部分钛离子络合，在溶液中达到络合平衡，大幅度减少离子态钛，选择合适的络合体系，使得钛离子的过饱和度能够匹配主金属钴的过饱和度，达到匀质共沉淀；合成阶段结束后，使用1％～5％的稀碱溶液可以有效洗涤氢氧化钴中其他杂质，保证合成产品的性能。
S3，将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，烧结工艺采用三段烧结，第一段烧结温度为200～350℃，时间为1-3小时，第二段烧结温度为450～500℃，时间为2～5小时，第三段烧烧结结温度为650-750℃，时间为3～6小时，发生如下反应：
得到D50为6～18um的均匀掺钛氧化钴前驱体，钛的掺杂含量为0.01～0.7％。
本发明采用在反应釜外预先配制MeSO4溶液、液碱溶液、钛-络合液混合溶液，将Ti单独配制成水溶液，有效规避采用固体比例共混配制时整个金属液都呈强酸性的情况，避免对反应釜中合成条件造成干扰，保证反应釜混合制备的合成条件；采用络合剂的方法把部分Ti4+络合成Ti络离子，在溶液中达到络合平衡，大幅度减少离子态Ti4+，选择合适的络合体系，使得Ti4+的过饱和度能够匹配主金属Me的过饱和度，达到匀质共沉淀。
采用本发明工艺合成的掺钛锂离子正极材料前驱体，钛元素均匀分布于前驱体中，电镜下表现为完全无明显第二相的均质共沉淀状态，明显优于纳米氧化钛掺杂型前驱体，在保证所制备的掺钛锂离子正极材料前驱体强度的同时，所制备的钛元素均匀分布于前驱体更加均匀，有效的弥补了现有技术的缺陷，具有良好的实用性。
实施例1
本实施例提供一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将硝酸钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为80g/L的硝酸钴溶液。
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为2.5mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为5:10：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37％盐酸与60％硝酸以体积比2:0.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为0.015g/L的钛-络合混合溶液。
S2：溶液混合；
将硝酸钴溶液以4L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以4/L的流量速度、液碱溶液以2L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为9.5，反应温度为50℃，连续不停进行反应，直至粒度达到7um时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为50℃的1％碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为200℃下保温1小时，然后在450℃下保温2小时，最后在650℃下保温3小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体。
通过上述的方法得到的掺钛锂离子正极材料前驱体的指标为：D50＝6um，TD为2.1g/cm3，Ti含量为0.01％。
实施例2
本实施例提供一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将硝酸钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为95g/L的硝酸钴溶液。
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为3mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为8:12：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37％盐酸与60％硝酸以体积比2:1.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为0.22g/L的钛-络合混合溶液。
S2：溶液混合；
将硝酸钴溶液以4L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以4/L的流量速度、液碱溶液以2L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为11，反应温度为50℃，连续不停进行反应，直至粒度达到9um时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为60℃的2％碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为250℃下保温1.5小时，然后在450℃下保温2小时，最后在650℃下保温3小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体。
通过上述的方法得到的掺钛锂离子正极材料前驱体的指标为：D50＝6.2um，TD为2.1g/cm3，Ti含量为0.101％。
实施例3
本实施例提供一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将硫氯化钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为100g/L的氯化钴溶液。
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为3mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为8:12：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37％盐酸与60％硝酸以体积比2:1.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为0.3034g/L的钛-络合混合溶液。
S2：溶液混合；
将氯化钴溶液以4L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以4/L的流量速度、液碱溶液以2.5L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为10.5，反应温度为55℃，连续不停进行反应，直至粒度达到11um时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为60℃的2％碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑。
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为300℃下保温2小时，然后在470℃下保温3小时，最后在680℃下保温4小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体。
通过上述的方法得到的掺钛锂离子正极材料前驱体的指标为：D50＝10um，TD为2.23g/cm3，Ti含量为0.2051％。
实施例4
本实施例提供一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将氯化钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为105g/L的氯化钴溶液。
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为3.5mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为8:12：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37％盐酸与60％硝酸以体积比2:1.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为0.5793g/L的钛-络合混合溶液。
S2：溶液混合；
将氯化钴溶液以4L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以4/L的流量速度、液碱溶液以2.5L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为10.2，反应温度为65℃，连续不停进行反应，直至粒度达到16.3um时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为60℃的2％碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑。
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为320℃下保温2.5小时，然后在470℃下保温4小时，最后在700℃下保温2小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体。
通过上述的方法得到的掺钛锂离子正极材料前驱体的指标为：D50＝15um，TD为2.4g/cm3，Ti含量为0.4109％。
实施5
本实施例提供一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将硫酸钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为120g/L的硫酸钴溶液。
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为4mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为8:12：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37％盐酸与60％硝酸以体积比2:1.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为0.9931g/L的钛-络合混合溶液。
S2：溶液混合；
前12个小时，将硫酸钴溶液以3L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以3/L的流量速度、液碱溶液以2L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为10.0，反应温度为70℃，连续不停进行反应，接下来将硫酸钴溶液以5L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以5/L的流量速度、液碱溶液以3.2L/h的流量速度并流加入反应釜，并控制pH为9.5，反应温度为70℃，直至粒度达到14.5um时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为60℃的2％碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑。
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为350℃下保温3小时，然后在500℃下保温5小时，最后在750℃下保温6小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体。
通过上述的方法得到的掺钛锂离子正极材料前驱体的指标为：D50＝17.3um，TD为2.5g/cm3，Ti含量为0.5987％。
实施6
本实施例提供一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将硫酸钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为120g/L的硫酸钴溶液。
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为4mol/L的液碱溶液。
用20％氨水、40％硫酸铵和纯水按体积比为10:15：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37％盐酸与60％硝酸以体积比4:1.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，发生如下反应：
4TiO2+12HCl+4HNO3→3TiCl4+Ti(NO3)4+8H2O
将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为1.1g/L的钛-络合混合溶液。
S2：溶液混合；
将硫酸钴溶液以4L/h的流量速度、钛-络合混合溶液以4/L的流量速度、液碱溶液以2L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为11，反应温度为70℃，连续不停进行反应，直至粒度达到16.1um时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为70℃的5％碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴，发生如下反应：
Ti4++4NaOH→Ti(OH)4↓+4Na+
CoSO4+2NaOH→Co(OH)2↓+Na2SO4↑。
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为350℃下保温3小时，然后在500℃下保温5小时，最后在750℃下保温6小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体。
通过上述的方法得到的掺钛锂离子正极材料前驱体的指标为：D50＝18um，TD为2.4g/cm3，Ti含量为0.7％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种掺钛锂离子正极材料前驱体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：溶液配制；
用工业纯水将硝酸钴晶体溶解，经过过滤得到钴浓度为80g/L的硝酸钴溶液；
用工业纯水稀释32工业液碱，经过过滤后制备得到氢氧化钠浓度为2.5mol/L的液碱溶液；
用20%氨水、40%硫酸铵和纯水按体积比为5:10：10的比例混合制备成复合络合溶液，用37%盐酸与60%硝酸以体积比2:0.5的比例配置成混合酸，称取80g二氧化钛溶于500ml混合酸中制备钛溶液，将钛溶液溶于复合络合溶液，得到钛离子的浓度为0.015g/L的钛-络合液混合溶液；
S2：溶液混合；
将硝酸钴溶液以4L/h的流量速度、钛-络合液混合溶液以4/L的流量速度、液碱溶液以2L/h的流量速度并流加入反应釜，控制pH为9.5，反应温度为50℃，连续不停进行反应，直至粒度达到7μm时停止进料，经过沉淀后，先使用温度为50℃的1%碱液进行洗涤，再使用纯水进行洗涤，离心后得到掺均匀钛的氢氧化钴；
S3：烧结；
将均匀掺钛的氢氧化钴进行烧结和混批除磁处理，先在温度为200℃下保温1小时，然后在450℃下保温2小时，最后在650℃下保温3小时，最终得到掺钛锂离子正极材料前驱体，该正极材料前驱体指标为：D50=6μm，TD为2.1g/cm3，Ti含量为0.01%。
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