CN110890535A - 一种正极材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正极材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用。所述正极材料为核壳结构,所述核层为金属元素掺杂的活性材料;所述壳层包括锂氧化物包覆层。本发明所述正极材料中锂氧化物均匀的包覆在活性材料的表面,降低了正极材料表面残碱量,使材料具有良好的储存和加工性能,且正极材料粒径均匀,具有优异的循环性能;同时,锂氧化物包覆层可以进一步提升正极材料界面稳定性。本发明所述正极材料平均粒径均匀,循环性能优异,具有良好的储存和加工性能;而且制备方法工艺简单,生产效率高,生产成本低,节能高效,适合于工业化生产。

Description

一种正极材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及一种正极材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用。
背景技术
相比传统电池材料,镍、钴、锰三元材料具有高比容量和廉价的优点,而且三种元素之间具有良好的协同效应,因此受到了广泛的应用。但是,这类材料容量保持率低,热稳定性能差等缺陷也制约着它的发展。这通常归因于在充电状态下不稳定的Ni4+,在充电过程中各向异性的体积变化会产生微裂纹,这种内应力会损害正极的机械稳定性并加剧由于电解质侵蚀引起的化学降解。研究者往往通过金属氧化物、磷酸盐、氟化物等涂覆在LNMO表面,避免正极材料直接暴露于电解质,从而可以缓解上述问题;除此之外,在材料制备过程中对材料进行掺杂是抑制LNMO相变的另一种策略。
CN105702940B通过将LiNixCoyMn1-x-yO2正极材料与铝溶胶匀浆后,喷雾干燥法造粒形成前驱体,再将前驱体固相烧结得到Al2O3包覆在LiNixCoyMn1-x-yO2正极材料。CN108321366A通过将钛源溶于溶剂中形成溶液,加入锂源溶解,然后加入柠檬酸得到混合溶液;将高镍三元镍钴锰正极材料均匀分散于溶剂中,加入混合溶液,最后将正极材料混合物煅烧得到表面具有钛酸锂包覆层的高镍三元镍钴锰正极材料。这类方法操作比较繁琐,增加工艺步骤,增加成本。
CN107819114A通过将单晶镍钴锰复合前驱体和钽的化合物进行超高速预混合,再将单晶镍钴锰前驱体和钽化合物的混合料与普通多晶镍钴锰前驱体高速混合得到掺杂型材料。CN107799739A通过将单晶镍钴锰复合前驱体和钒的化合物进行超高速预混合,再将单晶镍钴锰前驱体和钒化合物的混合料与普通多晶镍钴锰前驱体高速混合,得到钒掺杂镍钴锰材料。这类方法不能解决材料界面不稳定性的问题,对提高材料的性能有限,另外金属钒毒性高,不利于生产使用。
因此,本领域需要开发一种新型正极材料,其制备方法简单,制作成本低,而且能够解决材料界面不稳定的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种正极材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用。所述正极材料平均粒径均匀,循环性能优异,具有良好的储存和加工性能;而且制备方法工艺简单,生产效率高,生产成本低,节能高效,适合于工业化生产。
本发明的目的之一在于提供一种正极材料,所述正极材料为核壳结构,所述核层为金属元素掺杂的活性材料;所述壳层包括锂氧化物包覆层。
本发明所述正极材料中锂氧化物均匀的包覆在活性材料的表面,降低了正极材料表面残碱量,使材料具有良好的储存和加工性能,且正极材料粒径均匀,具有优异的循环性能;同时,锂氧化物包覆层可以进一步提升正极材料的界面稳定性。
优选地,所述核层掺杂的金属元素为钴、锆、镍、钛、硼、锶、钠和镁中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述锂氧化物的化学式为LixMyOz,其中M为金属元素,x为1~6(例如2、3、4或5等),y为1~4(例如1、2、3或4等),z为2~7(例如3、4、5或6等),优选所述锂氧化物为LiAlO2、Li2TiO3、LiCoO2、Li4SiO4、LiMn2O4、Li6ZnO4、Li2B4O7、LiGaO2、Li2GeO3和LiCrO2中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述正极材料中,锂氧化物的含量为0.1~1wt%,例如0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%或0.9wt%等。
优选地,所述正极材料中,核层金属元素掺杂的量为0.1~1wt%,例如0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%或0.9wt%等。
优选地,所述正极材料中,活性材料的含量为98~99.8wt%,例如98.2wt%、98.5wt%、98.8wt%、99.0wt%、99.2wt%、99.5wt%或99.6wt%等。
优选地,所述正极材料中,锂氧化物包覆层的含量为0.01~1wt%,例如0.05wt%、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%或0.9wt%等。
本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述正极材料的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将正极材料前驱体进行热处理;
(2)将热处理得到的正极材料前驱体、锂源和金属盐混合,得到混合材料,然后与溶剂混合,所述金属盐中的金属元素至少有两种;
(3)将步骤(2)得到的材料进行煅烧,得到正极材料。
本发明将正极材料前驱体进行热处理,可以让一次颗粒变得更加均匀,提高一次颗粒的粒径,有利于提高材料的能量密度。
本发明选择金属盐中的金属元素至少有两种,一种在煅烧过程中扩散速率较快,进而能够进入正极材料前驱体中进行掺杂,另一中在煅烧过程中扩散速率较慢,在合适温度下,将与材料界面残碱发生反应生成锂氧化物包覆层,均匀的包覆在活性材料表面,不仅可以去除正极材料表面残碱量,还能减少后期材料的加工性能,提高材料的使用寿命。
本发明所述正极材料通过一步煅烧即可合成具有包覆和掺杂的三元正极材料,不用刻意增加煅烧次数,生产效率更高;而且制备方法工艺简单,生产成本低,节能高效,适合于工业化生产。
优选地,步骤(1)所述正极材料前驱体包括镍锰钴前驱体。
优选地,步骤(1)所述热处理的温度为150~550℃,例如180℃、200℃、300℃、400℃、500℃或550℃等。
优选地,步骤(1)所述热处理的时间为1~10h,例如1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h等。
优选地,步骤(2)所述金属盐中金属元素包括铬、锌、铝、钴、锆、镍、钛、硼、锶、硅、钠和镁中至少两种的组合。
优选地,步骤(2)所述金属盐中金属元素包括壳层金属元素和核层金属元素,优选壳层金属元素和核层金属元素的质量比为(0.1~10):1,例如0.5:1、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1或9:1等。
本发明所述壳层金属元素为煅烧后留在壳层的金属元素;所述核层金属元素为煅烧后留在核层的金属元素。
优选地,所述壳层金属元素包括硅、钛、铬、锌和铝中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述核层金属元素包括钴、锆、镍、锶、硼、钠和镁中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(2)所述混合材料中,热处理得到的正极材料前驱体的含量为98~99.8wt%,例如98.2wt%、98.5wt%、98.8wt%、99.0wt%、99.2wt%、99.5wt%或99.6wt%等。
优选地,步骤(2)所述混合材料中,锂源与正极材料前驱体中总金属摩尔比Li/M=(1.01~1.1):1,例如1.02:1、1.03:1、1.04:1、1.05:1、1.06:1、1.07:1、1.08:1或1.09:1等。
优选地,步骤(2)所述混合材料中,金属盐的含量为0.01~1wt%,例如0.05wt%、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%或0.9wt%等。
优选地,步骤(2)所述混合材料中,还包括分散剂。
优选地,步骤(2)所述混合材料中,分散剂的含量为0.01~1wt%,例如0.05wt%、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%或0.9wt%等。
优选地,所述分散剂包括葡萄糖、聚乙烯醇、柠檬酸、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、硬脂酸和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(2)所述混合的方式为搅拌混合,优选搅拌混合1~10h,例如2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h或9h等。
优选地,所述搅拌混合的搅拌速率为100~500r/min,例如150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min或450r/min等。
优选地,步骤(2)之后,还包括洗涤和干燥的过程。
优选地,步骤(2)所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂和醋酸锂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(3)所述煅烧的升温速率为1~10℃/min,例如1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min或9℃/min等。
本发明所述煅烧的升温速率为1~10℃/min,升温速率过快会导致材料均匀性差;升温速率过慢材料尺寸过大,不利于材料的倍率性能和成本控制。
优选地,步骤(3)所述煅烧的温度为300~1000℃,例如300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃等。
本发明所述煅烧的温度为300~1000℃,煅烧温度过高不利于成本控制,可能破坏材料的结构;煅烧温度过低,金属不能扩散进入材料内部,不能最好的提高材料的性能。
本发明根据选取掺杂金属元素的性质,调节煅烧的温度和升温速率,使得不同的金属元素具有不同的扩散速率,将不同的金属元素可以分别留在壳层和核层,进而实现一步掺杂和包覆。
优选地,步骤(3)所述煅烧的时间为2~20h,例如3h、5h、7h、9h、11h、13h、15h、17h或19h等。
优选地,步骤(3)所述煅烧的气氛为空气气氛或者空气和氧气的混合气氛。
优选地,步骤(3)之后,还包括洗涤和干燥的过程。
作为优选技术方案,本发明所述一种正极材料的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)正极材料前驱体进行150~550℃热处理1~10h;
(2)将步骤(1)热处理得到的正极材料前驱体、锂源、金属盐和分散剂混合,得到混合材料,然后与溶剂搅拌混合1~10h,所述金属盐中金属元素包括壳层金属元素和核层金属元素,所述壳层金属元素和核层金属元素的质量比为(0.1~10):1,所述混合材料中,锂源与正极材料前驱体中总金属摩尔比Li/M=(1.01~1.1):1,金属盐的含量为0.01~1wt%,分散剂的含量为0.01~1wt%,热处理得到的正极材料前驱体的含量为98~99.8wt%,洗涤,干燥;
(3)将步骤(2)得到的材料在空气气氛中,进行温度为300~1000℃的煅烧2~20h,所述煅烧的升温速率为1~10℃/min,洗涤,干燥,得到正极材料。
本发明的目的之三在于提供一种锂离子电池,所述锂离子电池包括目的之一所述的正极材料。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明所述的正极材料为多元包覆和掺杂的三元正极材料。具有平均粒径均匀,循环性能优异等优点,而且有效减少了三元镍钴锰表面残碱量,使材料具有良好的储存和加工性能。
(2)本发明所述正极材料通过一步煅烧合成具有包覆和掺杂的三元正极材料,不用刻意增加煅烧次数,生产效率更高;而且制备方法工艺简单,生产成本低,节能高效,适合于工业化生产。
附图说明
图1是本发明具体实施例1提供的正极材料的SEM图。
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将镍锰钴前驱体进行500℃热处理6h;
(2)然后将热处理得到的镍锰钴前驱体、氢氧化锂、葡萄糖和金属盐(氯化铝和氯化锆质量比为1:1)混合,得到混合材料,然后与水搅拌混合5h,所述混合材料中,锂源与正极材料前驱体中总金属摩尔比Li/M=1.03,金属盐的含量为0.1wt%,葡萄糖的含量为0.01wt%,洗涤,干燥;
(3)将步骤(2)得到的材料在空气气氛中,进行温度为800℃的煅烧8h,所述煅烧的升温速率为5℃/min,洗涤,干燥,得到正极材料。
图1为本实施例得到的正极材料SEM图,由图中可以看出,正极材料表面存在包覆物,说明形成了包覆层。
实施例2
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述煅烧温度为600℃。
实施例3
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述煅烧温度为1000℃。
实施例4
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述煅烧温度为200℃。
实施例5
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述煅烧温度为1200℃。
实施例6
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述升温速率为1℃/min。
实施例7
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述升温速率为10℃/min。
实施例8
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述升温速率为0.5℃/min。
实施例9
与实施例1的区别在于,步骤(3)所述升温速率为15℃/min。
实施例10
与实施例1的区别在于,不进行步骤(1),即镍锰钴前驱体不进行热处理过程。
实施例11
(1)将镍锰钴前驱体进行500℃热处理5h;
(2)然后将热处理得到的镍锰钴前驱体、碳酸锂、水、十二烷基苯磺酸钠和金属盐(氯化锌和氯化镁质量比为0.5:1)混合,得到混合材料,所述混合材料中,锂源与正极材料前驱体中金属摩尔比Li/M=1.05,金属盐的含量为0.2wt%,,十二烷基苯磺酸钠的含量为0.05wt%,洗涤,干燥;
(3)将步骤(2)得到的材料在空气气氛中,进行温度为600℃的煅烧8h,所述煅烧的升温速率为2℃/min,洗涤,干燥,得到正极材料,洗涤,干燥,得到正极材料。
对比例1
与实施例1的区别在于,步骤(2)所述氯化铝替换为等质量的氯化锆。
性能测试
将本发明各实施例和对比例得到的正极材料组装成电池:
按照负极活性物质(石墨):导电炭黑:CMC=8:1:1的质量比混合,以去水为溶剂混浆后涂布于铜箔上,经过90℃真空干燥后,得到负极极片;按照正极活性物质:导电炭黑:粘结剂PVDF=90:5:5的质量比混合,以去NMP为溶剂混浆后涂布于铝箔上,经过90℃真空干燥得到正极极片;然后将所述负极极片、正极极片、电解液(1mol/L的LiPF6,EC:EMC=1:1)和隔膜组装成电池。
将得到的电池在25±2℃环境下,深圳市新威尔电子有限公司生产的NEWARE BTS-5V/10mA型充放电测试仪上进行充放电测试,充放电电压范围4.4V~2.8V,电流1C,分别测试首周充电比容量、首次效率和100周循环性能,测试结果如表1所示:
表1
首周充电比容量(mAh/g) 首次效率(%) 100周循环性能(%)
实施例1 186.27 88.27 93.01
实施例2 184.15 87.9 90.2
实施例3 182.33 87.4 90.05
实施例4 169.15 82.3 75.23
实施例5 178.17 85.71 88.6
实施例6 180.19 86.31 88.05
实施例7 182.58 85.62 84.36
实施例8 181.6 85.32 86
实施例9 179.5 83.05 85.12
实施例10 180.36 86.2 89.3
实施例11 185.4 88.03 92.86
对比例1 185.1 80.98 82.38
通过表1可以看出,本发明实施例4-5相对于实施例1中,首周充电比容量、首次效率和100周循环性能皆较差,因为实施例4中煅烧温度过低,核层金属元素不能扩散进入材料内部,对于材料性能的提升作用较小;因为实施例5中煅烧温度过高,破坏材料的结构,进而影响电化学性能,因此实施例4-5相对于实施例1中,首周充电比容量、首次效率和100周循环性能皆较差。
通过表1可以看出,本发明实施例8-9相对于实施例1中,首周充电比容量、首次效率和100周循环性能皆较差,因为实施例8中升温速率较慢,得到的材料尺寸过大,不利于提升材料的电化学性能;实施例9中升温速率较快,导致得到的材料均匀性较差,且核层金属元素对于正极材料的掺杂效果较差,因此电化学性能较差。
通过表1可以看出,本发明实施例10相对于实施例1中,首周充电比容量、首次效率和100周循环性能皆较差,因为实施例10中镍锰钴前驱体不进行热处理过程,其一次颗粒均匀性较差,因此电化学性能较差。
通过表1可以看出,本发明对比例1相对于实施例1中,首次效率和100周循环性能皆较差,因为对比例1中将氯化铝替换为氯化锆,即在煅烧过程中,锆元素(扩散速度较快)易对核层进行掺杂,壳层得到锂氧化物包覆层较少,对于正极材料表面残碱的去除效果较差,因此其首次效率和100周循环性能应较差。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种正极材料,其特征在于,所述正极材料为核壳结构,所述核层为金属元素掺杂的活性材料;所述壳层包括锂氧化物包覆层。
2.如权利要求1所述的正极材料,其特征在于,所述核层掺杂的金属元素为钴、锆、镍、钛、硼、钠和镁中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述锂氧化物的化学式为LixMyOz,其中M为金属元素,x为1~6,y为1~4,z为2~7,优选所述锂氧化物为LiAlO2、Li2TiO3、LiCoO2、Li4SiO4、LiMn2O4、Li6ZnO4、Li2B4O7、LiGaO2、Li2GeO3和LiCrO2中的任意一种或至少两种的组合。
3.如权利要求1或2所述的正极材料,其特征在于,所述正极材料中,锂氧化物的含量为0.1~1wt%;
优选地,所述正极材料中,核层金属元素掺杂的量为0.1~1wt%;
优选地,所述正极材料中,活性材料的含量为98~99.8wt%;
优选地,所述正极材料中,锂氧化物包覆层的含量为0.01~1wt%。
4.一种如权利要求1-3之一所述正极材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)将正极材料前驱体进行热处理;
(2)将热处理得到的正极材料前驱体、锂源和金属盐混合,得到混合材料,然后与溶剂混合,所述金属盐中的金属元素至少有两种;
(3)将步骤(2)得到的材料进行煅烧,得到正极材料。
5.如权利要求4所述正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述正极材料前驱体包括镍锰钴前驱体;
优选地,步骤(1)所述热处理的温度为150~550℃;
优选地,步骤(1)所述热处理的时间为1~10h。
6.如权利要求4或5所述正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述金属盐中金属元素包括铬、锌、铝、钴、锆、镍、钛、硼、钠、锶、硅和镁中至少两种的组合;
优选地,步骤(2)所述金属盐中金属元素包括壳层金属元素和核层金属元素,优选壳层金属元素和核层金属元素的质量比为(0.1~10):1;
优选地,所述壳层金属元素包括硅、钛、铬、锌和铝中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述核层金属元素包括钴、锆、镍、锶、硼、钠和镁中的任意一种或至少两种的组合。
7.如权利要求4-6之一所述正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述混合材料中,热处理得到的正极材料前驱体的含量为98~99.8wt%;
优选地,步骤(2)所述混合材料中,锂源与正极材料前驱体中总金属摩尔比Li/M=(1.01~1.1):1;
优选地,步骤(2)所述混合材料中,金属盐的含量为0.01~1wt%;
优选地,步骤(2)所述混合材料中,还包括分散剂;
优选地,步骤(2)所述混合材料中,分散剂的含量为0.01~1wt%;
优选地,所述分散剂包括葡萄糖、聚乙烯醇、柠檬酸、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、硬脂酸和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,步骤(2)所述混合的方式为搅拌混合,优选搅拌混合1~10h;
优选地,所述搅拌混合的搅拌速率为100~500r/min;
优选地,步骤(2)之后,还包括洗涤和干燥的过程;
优选地,步骤(2)所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂和醋酸锂中的任意一种或至少两种的组合。
8.如权利要求4-7之一所述正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述煅烧的升温速率为1~10℃/min;
优选地,步骤(3)所述煅烧的温度为300~1000℃;
优选地,步骤(3)所述煅烧的时间为2~20h;
优选地,步骤(3)所述煅烧的气氛为空气气氛或者空气和氧气的混合气氛;
优选地,步骤(3)之后,还包括洗涤和干燥的过程。
9.如权利要求4-8之一所述正极材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)正极材料前驱体进行150~550℃热处理1~10h;
(2)将步骤(1)热处理得到的正极材料前驱体、锂源、金属盐和分散剂混合,得到混合材料,然后与溶剂搅拌混合1~10h,所述金属盐中金属元素包括壳层金属元素和核层金属元素,所述壳层金属元素和核层金属元素的质量比为(0.1~10):1,所述混合材料中,锂源与正极材料前驱体中总金属摩尔比Li/M=(1.01~1.1):1,金属盐的含量为0.01~1wt%,分散剂的含量为0.01~1wt%,热处理得到的正极材料前驱体的含量为98~99.8wt%,洗涤,干燥;
(3)将步骤(2)得到的材料在空气气氛中,进行温度为300~1000℃的煅烧2~20h,所述煅烧的升温速率为1~10℃/min,洗涤,干燥,得到正极材料。
10.一种锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池包括权利要求1-3之一所述的正极材料。
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