CN110707315B - 一种表面改性镍基电极材料 - Google Patents

一种表面改性镍基电极材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体、醋酸锂和修饰物质，所述修饰物质为氧离子导体材料；所述氧离子导体材料为氧化钇稳定氧化铋、氧化镝稳定氧化锆或氧化钐稳定氧化锡中的任一种或者两者的结合；所述氧离子导体材料的质量占总电极材料的0.01‑5%；所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的质量比为0.6~0.9：0.05~0.2：0.05~0.2。本发明中镍基电极材料经氧离子导体修饰后可抑制Li+/Ni2+的无序性，提高材料的初始库伦效率，同时锂和镍在脱锂过程中的空位协同作用加剧了氧的不稳定性，而氧离子导体在修饰镍基材料的过程中恰好提供了氧离子空位，从而提高材料的结构稳定性。

Description

一种表面改性镍基电极材料
技术领域
本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种表面改性镍基电极材料。
背景技术
随着新能源汽车行业的快速发展，对电动汽车的续航里程以及安全性能提出了更高的要求。传统的锂离子电池正极材料由于其自身的限制无法满足需求。富镍三元正极材料LiNi1-x-yCoxMnyO2结合了 Ni-Co-Mn 三种元素的优点，协同作用，其中 Ni 元素能有效增加材料的比容量，随着Ni含量的提高，材料的能量密度随之提高；Mn 元素降低材料成本，提高电池的安全性和稳定性；而Co 元素具有优良的电化学活性，可提高材料的电子导电性和改善循环性能。近年来富镍三元正极材料LiNi1-x-yCoxMnyO2 的研究取得了重要进展，但是，材料在颗粒界面稳定性、循环性能、大电流密度放电性能等方面仍存在诸多问题亟待解决。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种能够有效改善锂离子正极材料的扩散速率，提高锂离子电池循环性能和倍率性能的表面改性镍基电极材料。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体和醋酸锂，其特征在于：还包括修饰物质，所述修饰物质为氧离子导体材料，所述氧离子导体材料的质量占总电极材料质量的0.01-5%。
优选的，所述氧离子导体材料为氧化钇稳定氧化铋、氧化镝稳定氧化锆或氧化钐稳定氧化锡中的任一种或两种的组合。
优选的，所述氧离子导体材料的质量占总电极材料质量的1%。
优选的，所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的物质的量比为0.6~0.9：0.05~0.2：0.05~0.2。
优选的，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比1.0~1.08:0.6~0.9:0.05~0.2:0.05~0.2。
优选的，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.02:0.85:0.05:0.1。
本发明的有益效果是：
1、与现有技术相比，本发明的改进之处在于，采用了氧离子导体对镍基材料进行修饰改性，氧离子导体中的部分元素具有强氧化性，可将Ni2+氧化为Ni3+，从而抑制了Li + /Ni 2+阳离子的无序化程度，提高材料的初始库伦效率；
2、在该电极材料中氧离子导体为氧离子提供了空位，解决材料的产气问题，从而提高材料的结构稳定性和电化学性能；
3、氧离子导体具有优异的锂离子电导率，有效改善了锂离子在正极材料的扩散速率，提高了锂离子电池循环性能和倍率性能。
附图说明
图1为本发明实施例一中的电极材料扫描电镜图；
图2为本发明实施例一中的电极材料透射电镜图；
图3为本发明实施例一中的电极材料X-衍射图谱图；
图4为本发明实施例一中的电极材料CV曲线图；
图5为本发明实施例一中的电极材料0.1C倍率下的首次充放电曲线图；
图6为本发明实施例一中的电极材料1C倍率下循环性能曲线图；
图7为本发明实施例二中的电极材料扫描电镜图；
图8为本发明实施例二中的电极材料透射电镜图；
图9为本发明实施例二中的电极材料X-衍射图谱图；
图10为本发明实施例二中的电极材料CV曲线图；
图11为本发明实施例二中的电极材料0.1C倍率下的首次充放电曲线图；
图12为本发明实施例二中的电极材料1C倍率下循环性能曲线图；
图13为本发明实施例三中的电极材料扫描电镜图；
图14为本发明实施例三中的电极材料透射电镜图；
图15为本发明实施例三中的电极材料X-衍射图谱图；
图16为本发明实施例三中的电极材料CV曲线图；
图17为本发明实施例三中的电极材料0.1C倍率下的首次充放电曲线图；
图18为本发明实施例三中的电极材料1C倍率下循环性能曲线图；
图19为本发明实施例四中的电极材料扫描电镜图；
图20为本发明实施例四中的电极材料透射电镜图；
图21为本发明实施例四中的电极材料X-衍射图谱图；
图22为本发明实施例四中的电极材料CV曲线图；
图23为本发明实施例四中的电极材料0.1C倍率下的首次充放电曲线图；
图24为本发明实施例四中的电极材料1C倍率下循环性能曲线图；
图25为本发明实施例五中的电极材料扫描电镜图；
图26为本发明实施例五中的电极材料透射电镜图；
图27为本发明实施例五中的电极材料X-衍射图谱图；
图28为本发明实施例五中的电极材料CV曲线图；
图29为本发明实施例五中的电极材料0.1C倍率下的首次充放电曲线图；
图30为本发明实施例五中的电极材料1C倍率下循环性能曲线图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例一：
一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体、醋酸锂和氧化钇稳定氧化铋。
进一步的，所述氧化钇稳定氧化铋的质量占总电极材料的1%。
进一步的，所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的物质的量比为85： 5：10，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.02:0.85:0.05:0.1。
将上述材料制备成电极材料进行涂膜，制作成扣式电池进行电化学性能测试。所得材料在0.1C下的比容量达到208mAh/g，1C倍率下循环100次后，容量保持率达到94%，是一种电化学性能优异的锂电池正极材料。
具体的，附图1是本实施例中氧化钇稳定氧化铋修饰后的电极材料的扫描电镜图片，修饰后的电极材料表面出现了一些细小的颗粒物，该细小的颗粒物即为修饰物质氧化钇稳定氧化铋，其在电极材料的表面形成包裹层，可以降低电解液对电极材料的腐蚀，提高材料的循环性能。附图2是氧化钇稳定氧化铋修饰后的电极材料的透射电镜图片，从附图2中可以看出，经氧化钇稳定氧化铋修饰后的电极材料表面形成了一层包覆层，包覆层可以抵御电解液对材料的腐蚀，从而提高材料的电化学性能。附图3（参照实质审查参考资料中图3）是氧化钇稳定氧化铋修饰前后的电极材料的X-衍射图谱，从附图3（参照实质审查参考资料中图3）中可以看出修饰后的电极材料中出现了修饰物质的衍射峰。附图4（参照实质审查参考资料中图4）是氧化钇稳定氧化铋修饰后的CV曲线，样品在第一圈循环时的氧化峰是在高电位下检测到的，在接下来的循环中杨华峰明显的向低电位移动，这表明在首圈循环时发生了不可逆的电化学反应，样品在首圈循环时的氧化风峰的电位差为0.151V。附图5是样品在0.1C倍率下的首次充放电曲线，从图中得出首次放电比容量达到208mAh/g，附图6是样品在1C倍率下的循环性能曲线，从图中得出，循环100次后，容量保持率达到94%。
实施例二：
一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体、醋酸锂和氧化镝稳定氧化锆。
进一步的，所述氧化镝稳定氧化锆的质量占总电极材料的2%。
进一步的，所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的质量比为80：10：10，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.08:0.8:0.1:0.1。
将上述材料制备成电极材料进行涂膜，制作成扣式电池进行电化学性能测试。所得材料在0.1C下的比容量达到200mAh/g，1C倍率下循环100次后，容量保持率达到90%，是一种电化学性能优异的锂电池正极材料。
具体的，附图7是本实施例中氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的扫描电镜图片，修饰后的材料表面出现了小颗粒，该细小的颗粒物即为修饰物质氧化镝稳定氧化锆，其在电极材料的表面形成包裹层，可以降低电解液对电极材料的腐蚀，提高材料的循环性能。附图8是修饰后材料的透射电镜图，从图中可以看出修饰后材料表面出现了一层包覆层，该包覆层可抵御电解液对材料的腐蚀，抑制副反应的发生，从而提高材料的循环性能。附图9（参照实质审查参考资料中图9）是氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的XRD图谱，从图中可以看出修饰后的电极材料中出现了修饰物质的衍射峰，附图10（参照实质审查参考资料中图10）是氧化镝稳定氧化锆修饰后材料的CV曲线，氧化镝稳定氧化锆修饰后材料的CV曲线中电位差为0.216，数值较小，说明电极极化得到了一定的控制，附图11是0.1C倍率下氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的首次充放电曲线，附图12是1C倍率下氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的循环性能曲线，从附图11和附图12中可以得出，0.1C倍率下该电极材料的首次放电比容量为200 mAh/g，1C倍率下循环100次后容量保持率为90%。
实施例三：
一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体、醋酸锂和氧化钐稳定氧化锡。
进一步的，所述氧化钐稳定氧化锡的质量占总电极材料的1%。
进一步的，所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的质量比为90：5：5，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.06:0.9:0.05:0.05。
将上述材料制备成电极材料进行涂膜，制作成扣式电池进行电化学性能测试。所得材料在0.1C下的比容量达到218mAh/g，1C倍率下循环100次后，容量保持率达到92%，是一种电化学性能优异的锂电池正极材料。
具体的，附图13是本实施例中氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的扫描电镜图片，修饰后的材料表面出现了小颗粒，该细小的颗粒物即为修饰物质氧化镝稳定氧化锆，其在电极材料的表面形成包裹层，可以降低电解液对电极材料的腐蚀，提高材料的循环性能。附图14是氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的透射电镜图，从附图14中可以看出氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料表面出现了一层包覆层，该包覆层可抵御电解液对材料的腐蚀，抑制副反应的发生，从而提高材料的循环性能。附图15（参照实质审查参考资料中图15）是氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的XRD图谱，从图中可以看出修饰后的电极材料中出现了修饰物质的衍射峰，附图16（参照实质审查参考资料中图16）是氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的CV曲线，氧化镝稳定氧化锆修饰后材料的CV曲线中电位差为0.193，数值较小，说明电极极化得到了一定的控制，附图17是0.1C倍率下氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的首次充放电曲线，附图18是1C倍率下氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的循环性能曲线，从附图17和附图18中可以得出，0.1C倍率下该电极材料的首次放电比容量为218 mAh/g，1C倍率下循环100次后容量保持率为92%。
实施例四：
一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体、醋酸锂和氧化钐稳定氧化锡、氧化镝稳定氧化锆的组合。
进一步的，所述氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆的质量占总电极材料的4%，且氧化钐稳定氧化锡、氧化镝稳定氧化锆的质量比为1:1。
进一步的，所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的质量比为90：5：5，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.04:0.9:0.05:0.05。
将上述材料制备成电极材料进行涂膜，制作成扣式电池进行电化学性能测试。所得材料在0.1C下的比容量达到188mAh/g，1C倍率下循环100次后，容量保持率达到87%，是一种电化学性能优异的锂电池正极材料。
具体的，附图19是本实施例中氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的扫描电镜图片，从附图19中可以看出氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料表面出现了小颗粒，该小颗粒即为修饰物质氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆，其在电极材料的表面形成包裹层，可以降低电解液对电极材料的腐蚀，提高材料的循环性能。附图20是氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的透射电镜图，从图中可以看出氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料表面出现了较厚的一层包覆层，该包覆层可抵御电解液对材料的腐蚀，抑制副反应的发生，从而提高材料的循环性能。附图21（参照实质审查参考资料中图21）是氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的XRD图谱，从图中可以看出修饰后的电极材料中出现了修饰物质的衍射峰，附图22（参照实质审查参考资料中图22）是氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的CV曲线图，氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的CV曲线中电位差为0.232，附图23是0.1C倍率下氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的首次充放电曲线，附图24是1C倍率下氧化钐稳定氧化锡和氧化镝稳定氧化锆修饰后的电极材料的循环性能曲线，从附图23和附图24中可以得出，0.1C倍率下材料的首次放电比容量为188 mAh/g，1C倍率下循环100次后容量保持率为87%。
实施例五：
一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体、醋酸锂和氧化钇稳定氧化铋、氧化钐稳定氧化锡的组合混合物。
进一步的，所述氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡的质量占总电极材料的5%，且氧化钇稳定氧化铋、氧化钐稳定氧化锡的质量比为1:1。
进一步的，所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的质量比为90：5：5，所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.06:0.9:0.05:0.05。
将上述材料制备成电极材料进行涂膜，制作成扣式电池进行电化学性能测试。所得材料在0.1C下的比容量达到185mAh/g，1C倍率下循环100次后，容量保持率达到88%，是一种电化学性能优异的锂电池正极材料。
具体的，附图25是本实施例中氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的扫描电镜图片，修饰后的材料表面出现了小颗粒，该小颗粒即为修饰物质氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡，其在电极材料的表面形成包裹层，可以降低电解液对电极材料的腐蚀，提高材料的循环性能。附图26为氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的透射电镜图，随着修饰物添加量的增加，从图中可以看出修饰后的电极材料表面出现了较厚的一层包覆层，该包覆层可抵御电解液对材料的腐蚀，抑制副反应的发生，从而提高材料的循环性能。附图27（参照实质审查参考资料中图27）是氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的XRD图谱，从图中可以看出修饰后的电极材料中出现了修饰物质的衍射峰，附图28（参照实质审查参考资料中图28）是氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的CV曲线，氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的CV曲线中电位差为0.23，附图29是0.1C倍率下氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的首次充放电曲线，附图30是1C倍率下氧化钇稳定氧化铋和氧化钐稳定氧化锡修饰后的电极材料的循环性能曲线，从附图29和附图30中可以得出，0.1C倍率下材料的首次放电比容量为185 mAh/g，1C倍率下循环100次后容量保持率为88%。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种表面改性镍基电极材料，包括镍基材料前驱体和醋酸锂，其特征在于：还包括修饰物质，所述修饰物质为氧化钇稳定氧化铋；所述氧化钇稳定氧化铋在电极材料的表面形成包裹层；所述氧化钇稳定氧化铋的质量占总电极材料质量的1％；
所述镍基材料前驱体中镍、钴、锰的物质的量比为0.85∶0.05∶0.1；
所述表面改性镍基电极材料中锂元素、镍元素、钴元素和锰元素的摩尔比为1.02∶0.85∶0.05∶0.1。
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