CN111416118A - 一种高电压三元正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高电压三元正极材料及其制备方法。所述高电压三元正极材料是由金属元素和非金属元素共同掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料，所述金属元素为Zr、Mg、Al、Mo和Sr中的至少一种，非金属元素为B、P和F中的至少一种。本发明通过一次煅烧同时掺杂金属和非金属元素，不涉及二烧，工艺简单，且制备得到的高电压三元正极材料稳定，电化学性能好，符合规模化生产的指标。

Description

一种高电压三元正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种高电压三元正极材料及其制备方法。
背景技术
随着环境污染问题及能源危机的日益严重，为了解决环境污染和能源危机问题，不断开发出环境友好、干净的太阳能、风能、潮汐能等新能源，但是这些新能源具有地域性和间歇性，因此储能就显得格外重要。锂离子电池作为一种最具潜力的储能装置具有诸多优点，比如工作电压区间宽、理论容量高等。其中，正极材料对锂离子电池的性能起决定性作用。相较于LiCoO2、LiMn2O4等正极材料，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料具有能量密度高、对环境友好等优势。
为了进一步提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料的容量，提高其工作电压是一种有效的方法，但LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料在高电压(>4.4V)下发生不可逆相变，其层状结构被破坏，导致其容量衰减很快，循环性能下降。因此，需要对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料进行改性以提高材料结构稳定性，从而提高其高电压性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种高电压三元正极材料及其制备方法，本发明制备得到的高电压三元正极材料在高电压下容量高，循环稳定性好。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高电压三元正极材料，所述高电压三元正极材料是由金属元素和非金属元素共同掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料，所述金属元素为Zr、Mg、Al、Mo和Sr中的至少一种；非金属元素为B、P和F中的至少一种。
本发明通过筛选上述金属元素和非金属元素，对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料进行金属元素和非金属元素共同掺杂改性，能够提高材料结构稳定性，从而改善其高电压性能。
更优选地，所述金属元素为Zr和Al中的至少一种；非金属元素为B和P中的至少一种，制备得到的三元正极材料在3.0-4.45V电压区间下0.1C放电比容量以及90周循环容量保持率均较高。
优选地，所述金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的500-8000ppm；非金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的100-5000ppm；且金属元素与非金属元素的掺杂总量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的1000-10000ppm。
更优选地，所述金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的1000-3000ppm；非金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的500-1500ppm；且金属元素与非金属元素的掺杂总量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的1500-4000ppm，制备得到的三元正极材料的90周循环容量保持率较高。
本发明还提供了上述的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、锂源、掺杂金属元素氧化物和掺杂非金属元素化合物；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、锂源、掺杂金属元素氧化物和掺杂非金属元素化合物依次加入混料罐中，混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料在空气气氛下进行煅烧，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过筛，得到所述高电压三元正极材料。
本发明通过一次煅烧同时掺杂金属和非金属元素，不涉及二烧，工艺简单，且制备得到的高电压三元正极材料稳定，电化学性能好，3.0-4.45V电压区间下0.1C放电比容量达到170-190mAh/g，90周循环容量保持率大于80％，符合规模化生产的指标。
优选地，所述锂源包括碳酸锂、一水合氢氧化锂、硝酸锂和草酸锂中的至少一种，更优选为碳酸锂。
优选地，所述掺杂金属元素氧化物包括纳米氧化锆、纳米氧化镁、纳米氧化铝、纳米氧化钼和纳米氧化锶中的至少一种，更优选为纳米氧化锆和纳米氧化铝；掺杂非金属元素化合物包含氧化硼、氟化氢铵和磷酸二氢铵中的至少一种，更优选为氧化硼和磷酸氢二铵。
过低的摩尔比会导致材料电池比容量下降，过高的摩尔比会造成材料Li-Ni混排严重化，从而导致材料循环性能差。因此，所述锂源中锂离子与所述前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2中镍、钴和锰离子的总和的摩尔比优选为(0.9-1.15):1，更优选(1.03-1.05)：1，确保材料具有优异的电化学性能。
优选地，所述煅烧的温度为700-950℃，更优选890-930℃；煅烧的时间为8-15h，更优选9-12h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过一次煅烧同时掺杂金属和非金属元素，不涉及二烧，工艺简单，且制备得到的高电压三元正极材料稳定，在高电压下具有优异的电化学性能，3.0-4.45V电压区间下0.1C放电比容量达到170-190mAh/g，90周循环容量保持率大于80％。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、25g电池级碳酸锂、0.299g氧化铝及0.163g氧化硼；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、电池级碳酸锂、氧化铝及氧化硼依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到Al和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
根据以下方法对材料的电化学性能进行测试：将所得的Al和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料与导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF按照9.2:0.5:0.3的质量比混合于12mlNMP，充分搅拌形成浆料，然后通过涂覆机涂在铝箔表面，烘干后裁剪成合适的大小，以锂片为负极，六氟磷酸锂溶液为电解液，采用2032型扣式电池壳在氩气保护的手套箱中组装成扣式电池，然后在25℃下3.0-4.45V进行电化学性能测试。
根据上述测试方法，Al和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在0.1C首放容量为184.4mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为85％。
实施例2
本实施例的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、25g电池级碳酸锂、0.262g氧化镁及0.163g氧化硼；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、电池级碳酸锂、氧化镁及氧化硼依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到Mg和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
按实施例1的方法对本实施例的Mg和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料进行电化学性能测试。本实施例制备的Mg和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在0.1C首放容量为187.9mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为80.5％。
实施例3
本实施例的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、25g电池级碳酸锂、0.214g氧化锆及0.163g氧化硼；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、电池级碳酸锂、氧化锆及氧化硼依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
按实施例1的方法对本实施例的Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料进行电化学性能测试。本实施例制备的Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在0.1C首放容量为190mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为90.19％。
实施例4
本实施例的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、25g电池级碳酸锂、0.299g氧化铝、0.262g氧化镁及0.163g氧化硼；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、电池级碳酸锂、氧化铝、氧化镁及氧化硼依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到Al、Mg和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
按实施例1的方法对本实施例制备的Mg、Al和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料进行电化学性能测试。Mg、Al和B共掺杂改性的LLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在0.1C首放容量为172.9mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为83.5％。
实施例5
本实施例的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、25g电池级碳酸锂、0.085g氧化锆及0.102g氧化硼；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、电池级碳酸锂、氧化锆及氧化硼依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
按实施例1的方法对本实施例的Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料进行电化学性能测试。本实施例制备的Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在0.1C首放容量为187.87mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为83.10％。
实施例6
本实施例的高电压三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、25g电池级碳酸锂、0.256g氧化锆及0.204g氧化硼；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、电池级碳酸锂、氧化锆及氧化硼依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
按实施例1的方法对本实施例的Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料进行电化学性能测试。本实施例制备的Zr和B共掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在0.1C首放容量为185.54mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为80.5％。
对比例1
本对比例的三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取60g前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和25g电池级碳酸锂；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和电池级碳酸锂依次加入混料罐中，使用行星搅拌机将其混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料装入坩埚，放入马弗炉中，在空气气氛下在860℃恒温煅烧11h，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过160目筛，得到未掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料。
按实施例1的方法对本对比例制备的未掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料进行电化学性能测试。未掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料在0.1C首放容量为187.7mAh/g，0.5C循环90周后容量保持率为77.1％。
由实施例1-6和对比例1的结果可知，本发明通过优选金属元素和非金属元素的种类及其掺杂量，对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料进行掺杂改性，可进一步提高材料在3.0-4.45V电压区间下0.1C放电比容量以及90周循环容量保持率。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高电压三元正极材料，其特征在于，所述高电压三元正极材料是由金属元素和非金属元素共同掺杂改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料，所述金属元素为Zr、Mg、Al、Mo和Sr中的至少一种；非金属元素为B、P和F中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的高电压三元正极材料，其特征在于，所述金属元素为Zr和Al中的至少一种；非金属元素为B和P中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的高电压三元正极材料，其特征在于，所述金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的500-8000ppm；非金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的100-5000ppm；且金属元素与非金属元素的掺杂总量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的1000-10000ppm。
4.根据权利要求3所述的高电压三元正极材料，其特征在于，所述金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的1000-3000ppm；非金属元素的掺杂量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的500-1500ppm；且金属元素与非金属元素的掺杂总量为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料质量的1500-4000ppm。
5.权利要求1-4任一项所述的高电压三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、锂源、掺杂金属元素氧化物和掺杂非金属元素化合物；
(2)将步骤(1)称量好的前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、锂源、掺杂金属元素氧化物和掺杂非金属元素化合物依次加入混料罐中，混合均匀；
(3)将步骤(2)的混合物料在空气气氛下进行煅烧，得到块状物料；
(4)将步骤(3)的块状物料进行磨碎，过筛，得到所述高电压三元正极材料。
6.根据权利要求5所述的高电压三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源包括碳酸锂、一水合氢氧化锂、硝酸锂和草酸锂中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的高电压三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源为碳酸锂。
8.根据权利要求5所述的高电压三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂金属元素氧化物包括纳米氧化锆、纳米氧化镁、纳米氧化铝、纳米氧化钼和纳米氧化锶中的至少一种，掺杂非金属元素化合物包含氧化硼、氟化氢铵和磷酸二氢铵中的至少一种。
9.根据权利要求5所述的高电压三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源中锂离子与所述前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2中镍、钴和锰离子的总和的摩尔比为(0.9-1.15):1，优选为(1.03-1.05)：1。
10.根据权利要求5-9任一项所述的高电压三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为700-950℃，优选为890-930℃；煅烧的时间为8-15h，优选为9-12h。
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