CN109980189A - 一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料，其化学表达式为：LiaNixCoyAlzPcO2，其中，1≤a≤1.2，0.3≤x≤0.98，0.01≤y≤0.6，0.001≤z≤0.2，0.00001≤b≤0.03，0.0001≤c≤0.01；本发明还公开了一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法；本发明通过以可溶性铝盐为Al源，以可溶性磷酸盐为沉淀剂，通过控制结晶化学镀法在正极材料表面均匀镀覆一层AlPO4包覆层，这种方法简单易操作，可精确控制AlPO4的包覆量，且在包覆过程中通过表面活性剂解决沉淀问题，使包覆层薄而均匀，提高了正极材料的循环寿命和安全性能。

Description

一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料及其制备方法。
背景技术
镍钴铝三元锂离子电池正极材料由于具有较高的能量密度以及相对较简单的制备工艺被广泛应用于IT产品以及新能源汽车领域，但镍钴铝酸锂 (LNCA)由于结构稳定性欠佳，高价镍容易与电解液反应，造成电解液的分解，并放出气体，对材料的循环寿命及安全性造成极大的危害；针对上述问题一般采用表面包覆的方式来改善，正极材料表面包覆的化学惰性的物质将正极材料与电解液有效隔离，避免了高价镍离子与电解液的反应，保持正极与电解液的稳定性，从而提高材料的循环寿命及安全性能。
AlPO4的包覆对提高正极材料和电解液的稳定性具有显著的作用，但同时由于包覆的一般都是非电化学活性的物质，相应对材料的放电比容量造成一定的影响，如果包覆量过高，放电容量将会显著降低，如果包覆量不足，则材料的稳定性得不到有效的改善，因此，包覆材料能够薄而均匀的包覆在正极材料表面是实现放电比容量与稳定性达到平衡的重要因素，并且在包覆的过程中要防止AlPO4沉淀。
发明内容
本发明的目的是提供一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料，通过在正极材料的表面包覆磷酸铝，在解决放电比容量过低的同时保证了正极材料的稳定性。
本发明的另一个目的是提供一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是:
一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料，其化学表达式为:LiaNixCoyAlzPcO2，其中，1≤a≤1.2，0.3≤x≤0.98，0.01≤y≤0.6，0.001 ≤z≤0.2，0.0001≤c≤0.01。
本发明的特点还在于，
在正极材料中掺杂金属元素，其化学表达式为:LiaNixCoyAlzPcRbO2，其中， b＝4/3-a/3-x-y-z，0.00001≤b≤0.03，R为金属元素，所述金属元素为除了镍、钴、锰以外的元素周期表中金属元素的一种或多种的组合。
一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1，分别称取镍钴铝酸锂正极材料、量取铝盐溶液和磷酸盐溶液；
步骤2，将所述步骤1称取的镍钴铝酸锂正极材料分散在水中，并进行加热，得镍钴铝酸锂正极浆料；
步骤3，将所述步骤1量取的铝盐溶液以及磷酸盐溶液按照一定的速度并流加入到步骤2的镍钴铝酸锂浆料中并搅拌，同时加入表面活性剂；
步骤4，加料完成后将所述步骤3的镍钴铝酸锂浆料过滤、干燥、热处理即得包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料。
本发明的特点还在于，
所述步骤1中镍钴铝酸锂正极材料中镍、钴、铝的摩尔之比为(0.3-0.98): (0.01-0.6):(0.001-0.1)。
所述步骤1中镍钴铝酸锂正极材料与磷酸盐溶液的质量比为100: (0.01-1)，铝盐溶液与磷酸盐溶液的摩尔比为1：(1.1-1.2)。
所述步骤1中铝盐溶液的浓度为0.05mol/L-0.5mol/L，所述磷酸盐溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L。
所述步骤2中镍钴铝酸锂正极材料和水的质量比为1:(3-10)，加热的温度为30-90℃。
所述步骤3中搅拌速度为50-200r/min。
所述步骤3中表面活性剂的添加量为镍钴铝酸锂正极浆料质量的 1％-5％。
所述步骤4中在300-700℃的温度下热处理1-10h。
与现有技术相比，本发明通过以可溶性铝盐为Al源，以可溶性磷酸盐为沉淀剂，通过控制结晶化学镀法在正极材料表面均匀镀覆一层AlPO4包覆层，这种方法简单易操作，可精确控制AlPO4的包覆量，且在包覆过程中通过表面活性剂解决沉淀问题，使包覆层薄而均匀，提高了正极材料的循环寿命和安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例1提供一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料 EDS的面扫图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料，其化学表达式为:LiaNixCoyAlzPcO2，其中，1≤a≤1.2，0.3≤x≤0.98，0.01≤y≤0.6， 0.001≤z≤0.2，0.0001≤c≤0.01。
在正极材料中掺杂金属元素，其化学表达式为:LiaNixCoyAlzPcRbO2，其中， b＝4/3-a/3-x-y-z，0.00001≤b≤0.03，R为金属元素，金属元素为除了镍、钴、锰以外的元素周期表中金属元素的一种或多种的组合。
本发明实施例还提供一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1，分别称取镍钴铝酸锂正极材料、量取铝盐溶液以及磷酸盐溶液，其中，镍钴铝酸锂正极材料中镍、钴、铝的摩尔之比为(0.3-0.98): (0.01-0.6):(0.001-0.1)，镍钴铝酸锂正极材料与磷酸盐溶液的质量比为100:(0.01-1)，铝盐溶液与磷酸盐溶液的摩尔比为1:(1.1-1.2)，铝盐溶液的浓度为0.05mol/L-0.5mol/L，磷酸盐溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L；
步骤2，将步骤1称取的镍钴铝酸锂正极材料分散在水中并进行加热，其中，镍钴铝酸锂正极材料和水的质量比为1:(3-10)，加热的温度为 30-90℃，得镍钴铝酸锂正极浆料；
步骤3，将步骤1称取的铝盐溶液以及磷酸盐溶液并流加入到步骤2的镍钴铝酸锂正极浆料中并搅拌，同时加入表面活性剂，得镍钴铝酸锂浆料，其中，搅拌速度为50-200r/min，表面活性剂的添加量为镍钴铝酸锂正极浆料质量的0.01％-1％；
步骤4，将步骤3的镍钴铝酸锂浆料过滤，在300-700℃的温度下热处理1-10h，即得包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料。
本发明通过以可溶性铝盐为Al源，以可溶性磷酸盐为沉淀剂，通过控制结晶化学镀法在正极材料表面均匀镀覆一层AlPO4包覆层，这种方法简单易操作，精确控制AlPO4的包覆量，且在包覆过程中通过表面活性剂解决沉淀问题，使包覆层薄而均匀，提高了正极材料的循环寿命和安全性能。
实施例1
一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
将1000g镍钴铝摩尔比80:15:5的镍钴铝酸锂加入到3000g水中，以 50r/min的速度充分搅拌，按AlPO4包覆量为0.5％，Al：PO4 3-＝1:1.1同时并流加入浓度分别为0.05mol/L和0.1mol/L的硫酸铝和磷酸二氢铵溶液，并保证在0.5h内加完，过滤，干燥，于空气气氛中450℃热处理5h，得到AlPO4 包覆的镍钴铝酸锂正极材料。
以上述材料为正极，金属锂片为负极装配扣式电池进行充放电对比测试，采用本发明方法得到的正极材料在1C倍率下首次放电比容量达到 181mAh/g，300次充放循环后容量保持率99.2％，而未包覆的正极材料首次放电比容量为183mAh/g，300次充放循环后容量保持率96.8％。
实施例2
一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
将1000g镍钴铝摩尔比89:8:3的镍钴铝酸锂加入到5000g水中，以 50r/min的速度充分搅拌，按AlPO4包覆量为0.1％，Al：PO4 3-＝＝1:1.1同时并流加入浓度分别为0.05mol/L和0.1mol/L的硫酸铝和磷酸二氢铵溶液，并保证在1.5h内加完，过滤，干燥，于空气气氛中480℃热处理5h，得到AlPO4 包覆的镍钴铝酸锂正极材料。
以上述材料为正极，金属锂片为负极装配扣式电池进行充放电对比测试，采用本发明方法得到的正极材料在1C倍率下首次放电比容量达到 188mAh/g，300次充放循环后容量保持率98.8％，而未包覆的正极材料首次放电比容量为191mAh/g，300次充放循环后容量保持率95.2％。
实施例3
一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
将1000g镍钴铝摩尔比85:10:5的镍钴铝酸锂加入到6000g水中，以 50r/min的速度充分搅拌，按AlPO4包覆量为0.2％，Al：PO4 3-＝＝1:1.1同时并流加入浓度分别为0.05mol/L和0.1mol/L的硫酸铝和磷酸二氢铵溶液，并保证在1.5h内加完，过滤，干燥，于空气气氛中455℃热处理4h，得到AlPO4 包覆的镍钴铝酸锂正极材料。
以上述材料为正极，金属锂片为负极装配扣式电池进行充放电对比测试，采用本发明方法得到的正极材料在1C倍率下首次放电比容量达到 184mAh/g，300次充放循环后容量保持率99.1％，而未包覆的正极材料首次放电比容量为186mAh/g，300次充放循环后容量保持率96.5％。
图1为实施例1提供一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料EDS的面扫图，从图中可以看出，Al元素分布均匀，没有出现局部过浓或者局部不存在 Al元素的现象。
本发明通过以可溶性铝盐为Al源，以可溶性磷酸盐为沉淀剂，通过控制结晶化学镀法在正极材料表面均匀镀覆一层AlPO4包覆层，这种方法简单易操作，精确控制AlPO4的包覆量，且在包覆过程中通过表面活性剂解决沉淀问题，使包覆层薄而均匀，提高了正极材料的循环寿命和安全性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料，其特征在于，其化学表达式为：LiaNixCoyAlzPcO2，其中，1≤a≤1.2，0.3≤x≤0.98，0.01≤y≤0.6，0.001≤z≤0.2，0.0001≤c≤0.01。
2.根据权利要求1所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料，其特征在于，在正极材料中掺杂金属元素，其化学表达式为：LiaNixCoyAlzPcRbO2，其中，b＝4/3-a/3-x-y-z，0.00001≤b≤0.03，R为金属元素，所述金属元素为除了镍、钴、铝以外的元素周期表中金属元素的一种或多种的组合。
3.一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，分别称取镍钴铝酸锂正极材料、量取铝盐溶液和磷酸盐溶液；
步骤2，将所述步骤1称取的镍钴铝酸锂正极材料分散在水中，并进行加热，得镍钴铝酸锂正极浆料；
步骤3，将所述步骤1量取的铝盐溶液以及磷酸盐溶液按照一定的速度并流加入到步骤2的镍钴铝酸锂浆料中并搅拌，同时加入表面活性剂；
步骤4，加料完成后将所述步骤3的镍钴铝酸锂浆料过滤、干燥、热处理即得包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料。
4.根据权利要求3所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中镍钴铝酸锂正极材料中镍、钴、铝的摩尔之比为(0.3-0.98):(0.01-0.6):(0.001-0.1)。
5.根据权利要求4所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中镍钴铝酸锂正极材料与磷酸盐溶液的质量比为100:(0.01-1)，铝盐溶液与磷酸盐溶液的摩尔比为1:(1.1-1.2)。
6.根据权利要求5所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中铝盐溶液的浓度为0.05mol/L-0.5mol/L，所述磷酸盐溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L。
7.根据权利要求6所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中镍钴铝酸锂正极材料和水的质量比为1:(3-10)，加热的温度为30-90℃。
8.根据权利要求7所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中搅拌速度为50-200r/min。
9.根据权利要求8所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中表面活性剂的添加量为镍钴铝酸锂正极浆料质量的0.01％-1％。
10.根据权利要求3-9任一项所述的一种包覆磷酸铝的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中在300-700℃的温度下热处理1-10h。
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