CN109873141B - 一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。其技术方案是：将锂盐、镍盐、钴盐和锰盐混合,研磨，干燥，得到干燥后的混合料；再向所述干燥后的混合料中加入聚乙烯醇和尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体；然后将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：依次升温至100～200℃、400～600℃和700～900℃，每次升温后分别保温，最后随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。本发明具有工艺简单、操作简便和能实现工业化生产的特点；所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料形貌新颖、结构稳定、比容量高、循环性能和倍率性能优良。

Description

一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于镍钴锰三元正极材料技术领域。具体涉及一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，煤、石油及天然气等不可再生化石能源的不断消耗，能源和环境问题日益成为全球关注的焦点，开发新型环保可再生能源技术已成为各国政府的发展战略目标。新型环保可再生能源主要包括太阳能、风能、核能、海洋潮汐能和生物质能等，但上述能源具有不连续性和不稳定性等缺陷，严重影响其实际应用，因此可再生能源的储存和转换变得尤其重要。近年来，可充电锂离子电池(LIBs)因具备工作电压高、能量密度高、功率密度高、循环性能好、自放电小、使用寿命长、重量轻、无记忆效应、体积小和环境友好等优点，可以实现电能和化学能之间的重复转化，被认为是一种非常高效的能量储存装置。其中锂离子电池中正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，所以锂电池正极材料是锂电池发展的关键因素。
基于以镍盐、钴盐、锰盐为原料制备的镍钴锰三元正极材料是一种极具发展前景的材料。首先在1999年由Liu等提出将三种过渡金属Ni、Co和Mn结合，形成不同组分的层状三元过渡金属复合氧化物Li(Ni,Co,Mn)O2的设想；2001年Ohzuku等将这一设想变为现实，制备出具有α-NaFeO2结构层状镍钴锰三元正极材料。镍钴锰三元材料通过Ni-Co-Mn的协同作用，结合了LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2三种材料的优点：LiCoO2较好的循环性能，LiNiO2较高的比容量，LiMnO2较高的安全性及低成本等。
采用共沉淀法制备单晶材料被广泛使用，但共沉淀法具有步骤繁琐、反应变量不易控制和成本较高的缺点。相比于共沉淀法合成材料，固相法制备单晶镍钴锰三元正极材料具有设备简单、易于操作和利于工业化生产等优点。但是目前制备单晶材料的报道依然存在烧结所需温度较高、颗粒大小不均匀、结构不稳定和电化学性能欠佳等问题。刘环等人(刘环等.三元层状正极材料的制备与电化学性能研究.材料导报，2012：26(5))将锂盐、镍盐、钴盐和锰盐经过6h球磨，900℃烧结20h，制得LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，虽工艺简单、颗粒均匀和材料循环性能好，但球磨时间长，不利于工业化生产，所制备的材料比容量低。汪萍等人(汪萍等.长循环单晶镍钴锰三元正极材料的制备和表征.镇江高专学报，2015：28(1))通过固相法制得单晶LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，虽方法简单，但颗粒尺寸不均匀、粒径偏大(达到1.3-5μm)、与电解液接触面积大、副反应增加、锂离子材料比容量低和倍率性能差。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种形貌新颖、结构稳定、比容量高、循环性能和倍率性能优良的块状结构镍钴锰三元正极材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料。
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为0.2、0.1、0.2、0.2和1/3中的一种；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为0.2、0.1、0.2、0.2和1/3时，y依次对应为0.2、0.1、0.3、0.4和1/3；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数。
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为(0～3)∶(1～2)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体。
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
所述锂盐为碳酸锂、一水合氢氧化锂和醋酸锂的一种。
所述镍盐为四水合醋酸镍、碳酸镍和氧化镍中的一种。
所述钴盐为四水合醋酸钴、碳酸钴和氧化钴中的一种。
所述锰盐为四水合醋酸锰、碳酸锰和氧化锰中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下积极效果。
1、本发明将用锂盐、镍盐、钴盐和锰盐制得的干燥后的混合料与聚乙烯醇和尿素混合，研磨，即获得镍钴锰三元正极材料前驱体，再经热处理制得块状结构镍钴锰三元正极材料，工艺简单、操作方便、成本低廉和易于工业化生产。
2、本发明所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料是由纳米级一次颗粒紧密排列组成的二维块状结构，形貌新颖独特，具有较高的结构稳定性与压实密度，缩短锂离子传输距离并提高电子迁移率，从而提升了块状结构镍钴锰三元正极材料的比容量、倍率和循环性能，增加了制品的能量密度。
3、本发明所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料为单晶材料，因此电池稳定性高、循环稳定性好和比表面积小，能减少与电解液接触面积，减少正极材料与电解液之间副反应的产生，在工业化应用方面具有重要意义。
4、本发明所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的10～55μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为200～780nm。
因此，本发明具有工艺简单、操作简便和能实现工业化生产的特点，所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料形貌新颖、结构稳定、比容量高、循环性能和倍率性能优良。
附图说明
图1是本发明制备的一种块状结构镍钴锰三元正极材料的SEM图；
图2是本发明制备的一种块状结构镍钴锰三元正极材料的电子衍射图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述，并非对本发明权利要求范围的限制。
本具体实施方式中：
所述锂盐为碳酸锂、一水合氢氧化锂和醋酸锂的一种；
所述镍盐为四水合醋酸镍、碳酸镍和氧化镍中的一种；
所述钴盐为四水合醋酸钴、碳酸钴和氧化钴中的一种；
所述锰盐为四水合醋酸锰、碳酸锰和氧化锰中的一种。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料。
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为0.2；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为0.2时y为0.2；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数，即镍盐摩尔数为1-0.2-0.2＝0.6。
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为(2.3～3.0)∶(1.8～2.0)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体。
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
本实施例制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的30～55μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为200～450nm。
实施例2
一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料。
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为0.1；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为0.1时，y为0.1；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数，即镍盐摩尔数为1-0.1-0.1＝0.8。
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为(1.6～2.3)∶(1.6～1.8)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体。
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
本实施例制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的25～50μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为270～550nm。
实施例3
一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料。
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为0.2；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为0.2时，y为0.3；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数，即镍盐摩尔数为1-0.2-0.3＝0.5。
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为(0.9～1.6)∶(1.4～1.6)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体。
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
本实施例所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的20～45μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为340～650nm。
实施例4
一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料。
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为0.2；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为0.2时，y为0.4；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数，即镍盐摩尔数为1-0.2-0.4＝0.4。
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为(0.1～0.9)∶(1.2～1.4)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体。
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
本实施例所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的15～40μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为400～710nm。
实施例5
一种块状结构镍钴锰三元正极材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料。
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为1/3；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为1/3时，y为1/3；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数，即镍盐摩尔数为1-1/3-1/3＝1/3。
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为0∶(1～1.2)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体。
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
本实施例所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的10～35μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为460～780nm。
本具体实施方式与现有技术相比，具有如下积极效果。
1、本具体实施方式将用锂盐、镍盐、钴盐和锰盐制得的干燥后的混合料与聚乙烯醇和尿素混合，研磨，即得镍钴锰三元正极材料前驱体，再经热处理制得块状结构镍钴锰三元正极材料，工艺简单操、作方便、成本低廉和易于工业化生产。
2、本具体实施方式所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料如图1所示，图1是实施例制备的一种块状结构镍钴锰三元正极材料的SEM图，从图1可以看出：其制品为一次颗粒紧密排列的30～55μm的二维块状结构，形貌新颖独特和较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为200～450nm。故具有较高的结构稳定性与压实密度，缩短锂离子传输距离并提高电子迁移率，从而提升块状结构镍钴锰三元正极材料的比容量、倍率和循环性能，增加能量密度。
3、本具体实施方式所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料如图2所示，图2是本具体实施方式制备的一种块状结构镍钴锰三元正极材料的电子衍射图，从图2可以看出：其制品为单晶材料，因此电池稳定性高、循环稳定性好和比表面积小，可减少与电解液接触面积，减少正极材料与电解液之间副反应的产生，在工业化应用方面具有重要意义。
4、本具体实施方式所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料经检测：制品为一次颗粒紧密排列的10～55μm的二维块状结构，形貌较平滑规整；其中的颗粒尺寸均匀，粒径为200～780nm。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、操作简便和能实现工业化生产的特点，所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料形貌新颖、结构稳定、比容量高、循环性能和倍率性能优良。

Claims (2)

1.一种块状结构镍钴锰三元正极材料的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤是：
(1)按照锂盐∶镍盐∶钴盐∶锰盐的摩尔比为1∶(1-x-y)∶x∶y，将所述锂盐、所述镍盐、所述钴盐和所述锰盐混合,研磨1～3h，在60～80℃条件下干燥5～10h，得到干燥后的混合料；
其中：
x表示锂盐摩尔数为1时的钴盐摩尔数，x为0.2；
y表示锂盐摩尔数为1时的锰盐摩尔数，当x为0.2时y为0.2；
1-x-y表示当锂盐摩尔数为1时的镍盐摩尔数，即镍盐摩尔数为1-0.2-0.2＝0.6；
(2)按照聚乙烯醇∶尿素∶所述干燥后的混合料的质量比为(2.3～3.0)∶(1.8～2.0)∶1，向所述干燥后的混合料中加入所述聚乙烯醇和所述尿素，研磨，得到镍钴锰三元正极材料前驱体；
(3)将所述镍钴锰三元正极材料前驱体置于管式气氛炉中，以2～5℃/min速率：先升温至100～200℃，保温10～30h；再升温至400～600℃，保温4.5～5.5h，然后升温至700～900℃，保温10～20h；随炉冷却，制得块状结构镍钴锰三元正极材料。
2.一种块状结构镍钴锰三元正极材料，其特征在于所述块状结构镍钴锰三元正极材料是根据权利要求1所述块状结构镍钴锰三元正极材料的制备方法所制备的块状结构镍钴锰三元正极材料。
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