CN112002897A - 一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法。材料表面包覆有快离子导体层和导电聚合物层，快离子导体为第一包覆层，导电聚合物为第二包覆层。正极材料组成成分为LiNixMnyO2，快离子导体层的组成成分为LipScrTiw(PO4)3，其中，x、y、p、r、w为摩尔数，0.7≤x<1，0<y≤0.3，x+y＝1；3.2≤p+r+w≤3.5，1.2≤p≤1.8，0.1≤r≤0.8，1.2≤w≤1.9。本发明方法包括以下步骤：先将快离子导体包覆于正极材料上，然后使导电聚合物包覆于快离子导体的正极上，最终获得快离子导体和导电聚合物双重修饰的锂离子电池正极材料。本发明得到的正极材料组装成电池，首次放电容量高，循环稳定性优异。本发明工艺简单，环境污染低，适用于工业化生产。

Description

一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池材料领域，具体涉及一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
随着手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子设备的日益小型化、轻薄化，市场对锂离子电池的能量密度、电化学性能和安全性能的要求不断提高。锂离子电池的技术瓶颈主要在于正极材料。钴由于其稀缺性和战略价值，导致价格长期居高不下。减少钴的含量成为镍钴铝酸锂(NCA)或镍钴锰酸锂(NCM)正极材料降低成本的首要措施，开发高镍无钴材料成为必然趋势；在高镍的同时，降低钴含量，可以有效的提升电池能量密度和降低生产成本。
随着镍的含量的提高，锂离子电池的容量、能量密度也会相应提高；但是，镍含量的提高，对电池的循环性能和热稳定性会带来不利的影响，主要表现在循环充放电容量损失和高温环境下容量的大幅衰减，该缺点限制了高镍无钴正极材料的应用。
因此，针对现有技术不足，实现正极材料倍率性能和循环性能同时提升，提供一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法特别重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法。本发明正极材料的首次放电容量高，循环稳定性好；本发明制备方法简单合理，成本较低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双重修饰的锂离子电池正极材料，其特征在于，正极材料组成成分为LiNixMnyO2，快离子导体层的组成成分为LipScrTiw(PO4)3，其中，x、y、p、r、w为摩尔数，0.7≤x<1，0<y≤0.3，x+y＝1；3.2≤p+r+w≤3.5，1.2≤p≤1.8，0.1≤r≤0.8，1.2≤w≤1.9。
本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法，通过如下步骤制备而成：
(1)用共沉淀反应得到前驱体NixMny(OH)2，将所得的NixMny(OH)2前驱体材料与锂源进行均匀混合，在氧气气氛下进行两段烧结，得到正极材料LiNixMnyO2。
(2)以摩尔比计，将钪源与锂源均匀分散于有机溶剂中，然后加入磷源与钛源，分散均匀得混合液；加入将步骤(1)制备的正极材料LiNixMnyO2，调整固液比为1g:6mL，在60～80℃蒸发3～5h，并在90～110℃真空干燥8～12h，把得到预烧物充分进行研磨，得预烧粉末，在氧气气氛下烧结处理，获到磷酸钛钪锂修饰的正极材料。
(3)将制备的导电聚合物与步骤(2)中制备的磷酸钛钪锂为第一包覆层的正极材料，混合均匀，采用机械融合法反应，合成以快离子导体为第一包覆层，导电聚合物为第二包覆层，即快离子导体和导电聚合物双重修饰的锂离子电池正极材料。
优选的，步骤(2)中，所述烧结的温度为600～750℃，时间为10～13h；
优选的，步骤(2)中，所述锂源选自氢氧化锂、碳酸锂和硝酸锂中的一种或几种；
优选的，步骤(2)中，所述钛源选自钛酸四丁酯、四氯化钛和异丙醇钛中的一种或几种；
优选的，步骤(2)中，所述磷源选自磷酸二氢铵、磷酸氢二铵和磷酸中的一种或几种；
优选的，步骤(2)中，所述磷源溶液的溶剂选自甲醇、乙醇和丙醇的一种或几种；
优选的，步骤(2)中，所述钪源选自硫酸钪和硝酸钪中的一种或几种；
优选的，步骤(2)中，所述混合液中，锂、钪、钛和磷四者的物质的量之比为1.1～1.8:0.1～0.8:1.2～1.9:2～4，更为优选的，所述锂、钪、钛和磷四者的物质的量之比为1.5:0.5:1.5:3；
优选的，步骤(3)中，所述的导电聚合物为聚吡咯，聚苯胺，聚吡啶，聚苯、聚苯撑乙烯、聚噻吩中的任意一种。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明正极材料具有优异的倍率性能和循环性能；在2.75～4.3V，1C下，首次放电克容量达193.8mAh/g，1C下循环100圈，容量仍为176.8mAh/g，容量保持率达91.2％；
(2)本发明制备方法使得磷酸钛钪锂和导电聚合物成功的包覆在正极材料表层；表面修饰后的正极材料，减少了材料本身与电解液的直接接触，有效降低了材料与电解液副反应的发生，使得正极材料具有较好的循环稳定性和大倍率放电性能；本发明制备方法步骤简单，成本低，环境污染少，适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例2所得正极材料的SEM图；
图2是本发明实施例2所得正极材料的XRD图；
图3是本发明实施例2所得的正极材料与对比例1循环性能图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。
结合具体实例，一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法，具体通过如下步骤制备而成：
实施例1
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.9Mn0.1(OH)2，将所得的Ni0.9Mn0.1(OH)2前驱体材料与锂源进行均匀混合，在氧气气氛下进行两段烧结，得到正极材料LiNi0.9Mn0.1O2。
(2)以摩尔比计，以硝酸钪、硝酸锂、磷酸、钛酸四丁酯与步骤(1)得到的正极材料Li Ni0.9Mn0.1O2材料按照Li：Sc：Ti：P：(Ni+Mn)＝(1.5:0.5:1.5:3:1)的比例，称取0.015mol硝酸钪、0.013mol硝酸锂、0.03mol磷酸、0.015mol钛酸四丁酯。将0.015mol硝酸钪、0.013mol硝酸锂均匀分散到无水乙醇中得混合液A；将0.03mol磷酸、0.015mol钛酸四丁酯均匀分散到无水乙醇中得混合液B。然后将A、B溶液混合均匀得到混合液C，缓慢加入1mol的正极材料LiNi0.9Mn0.1O2，调整固液比为1g:6mL，在60℃下搅拌蒸发5h，并在90℃下真空干燥12h，把得到的预烧物研磨5min，获得预烧粉末；在氧气气氛下750℃烧结12h，得到最终产物LiNi0.9Mn0.1O2·0.01Li1.5Sc0.5Ti1.5(PO4)3。
(3)将制备的导电聚合物0.01mol聚苯胺与步骤(2)中制备的磷酸钛钪锂为第一包覆层的正极材料，混合均匀，采用机械融合法反应，合成以快离子导体为第一包覆层，导电聚合物为第二包覆层，即快离子导体和导电聚合物双重修饰的锂离子电池正极材料。
对本实施例所得的双重修饰的锂离子电池正极材料进行表征和检测，存在LiNi0.9Mn0.1O2和Li1.5Sc0.5Ti1.5(PO4)3和聚苯胺三个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成CR2025的扣式电池。经测试在在2.75～4.3V，1C下，首次放电克容量达192.4mAh/g，1C下循环100圈，容量仍为173.73mAh/g，容量保持率达90.3％。
实施例2
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.9Mn0.1(OH)2，将所得的Ni0.9Mn0.1(OH)2前驱体材料与锂源进行均匀混合，在氧气气氛下进行两段烧结，得到正极材料LiNi0.9Mn0.1O2。
(2)以摩尔比计，以硫酸钪、氢氧化锂、磷酸二氢铵、异丙醇钛与步骤(1)得到的正极材料LiNi0.9Mn0.1O2材料按照Li：Sc：Ti：P：(Ni+Mn)＝(1.5:0.5:1.5:3:1)的比例，称取0.015mol硫酸钪、0.026mol氢氧化锂、0.06mol磷酸二氢铵、0.030mol异丙醇钛，将0.015mol硫酸钪、0.026mol氢氧化锂均匀分散到甲醇中得混合液A，将0.06mol磷酸二氢铵、0.030mol异丙醇钛均匀分散到甲醇中得混合液B，然后将A、B溶液混合均匀得到混合液C，缓慢加入1mol的正极材料LiNi0.9Mn0.1O2，调整固液比为1g:6mL，在80℃下搅拌蒸发3.5h，并在100℃下真空干燥10h，把得到的预烧物研磨5min，获得预烧粉末；在氧气气氛下700℃烧结11h，得到最终产物LiNi0.9Mn0.1O2·0.02Li1.5Sc0.5Ti1.5(PO4)3。
(3)将制备的导电聚合物0.02mol聚苯胺与步骤(2)中制备的磷酸钛钪锂为第一包覆层的正极材料，混合均匀，采用机械融合法反应，合成以快离子导体为第一包覆层，导电聚合物为第二包覆层，即快离子导体和导电聚合物双重修饰的锂离子电池正极材料。
对本实施例所得的双重修饰的锂离子电池正极材料进行表征和检测，所述正极材料的电镜图如图1所述，所述正极材料粒径为1～3μm。所述正极材料的XRD结果如图2所示，存在LiNi0.9Mn0.1O2和Li1.5Sc0.5Ti1.5(PO4)3和聚苯胺三个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成CR2025的扣式电池。在2.75～4.3V，1C下，首次放电克容量达193.8mAh/g，1C下循环100圈，容量仍为176.8mAh/g，容量保持率达91.2％(具体参见图3所示的曲线)。
实施例3
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.9Mn0.1(OH)2，将所得的Ni0.9Mn0.1(OH)2前驱体材料与锂源进行均匀混合，在氧气气氛下进行两段烧结，得到正极材料LiNi0.9Mn0.1O2。
(2)以摩尔比计，以硝酸钪、碳酸锂、磷酸氢二铵、四氯化钛与步骤(1)得到的正极材料LiNi0.9Mn0.1O2材料按照Li：Sc：Ti：P：(Ni+Co+Mn+Al)＝(1.5:0.5:1.5:3:1)的比例，称取0.045mol硝酸钪、0.0195mol碳酸锂、0.09mol磷酸氢二铵、0.045mol四氯化钛，将0.045mol硝酸钪、0.0195mol碳酸锂均匀分散到丙醇中得混合液A，将0.09mol磷酸氢二铵、0.045mol四氯化钛均匀分散到丙醇中得混合液B，然后将A、B溶液混合均匀得到混合液C，缓慢加入1mol的正极材料LiNi0.9Mn0.1O2，调整固液比为1g:6mL，在75℃下搅拌蒸发5h，并在100℃下真空干燥10h，把得到的预烧物研磨5min，获得预烧粉末；在氧气气氛下690℃烧结13h，得到最终产物LiNi0.9Mn0.1O2·0.03Li1.5Sc0.5Ti1.5(PO4)3。
(3)将制备的导电聚合物0.03mol聚苯胺与步骤(2)中制备的磷酸钛钪锂为第一包覆层的正极材料，混合均匀，采用机械融合法反应，合成以快离子导体为第一包覆层，导电聚合物为第二包覆层，即快离子导体和导电聚合物双重修饰的锂离子电池正极材料。
对本实施例所得的双重修饰的锂离子电池正极材料进行表征和检测，存在LiNi0.9Mn0.1O2和Li1.5Sc0.5Ti1.5(PO4)3和聚苯胺三个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成CR2025的扣式电池。经测试在在2.75～4.3V，1C下，首次放电克容量达190.1mAh/g，1C下循环100圈，容量仍为170.88mAh/g，容量保持率达89.89％。
对比例1
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.9Mn0.1(OH)2，将所得的Ni0.9Mn0.1(OH)2前驱体材料与锂源进行均匀混合，在氧气气氛下进行两段烧结，得到正极材料LiNi0.9Mn0.1O2。
对本实施例所得锂离子电池正极材料进行表征和检测，其组成为LiNi0.9Mn0.1O2，所述正极材料粒径为1～3μm，存在LiNi0.9Mn0.1O2一个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成CR2025的扣式电池。经测试在2.75～4.3V电压范围内，1C倍率下，首次放电克容量达190.2mAh/g，1C下循环100圈，容量为161.2mAh/g，容量保持率达84.75％(具体参见图3所示的曲线)。
综上，通过双重修饰的锂离子电池正极材料在循环性能和倍率性能上均得到了较大的改善。

Claims (6)

1.一种双重修饰的锂离子电池正极材料，其特征在于，正极材料组成成分为LiNixMnyO2，快离子导体层的组成成分为LipScrTiw(PO4)3，其中，x、y、p、r、w为摩尔数，0.7≤x<1，0<y≤0.3，x+y＝1；3.2≤p+r+w≤3.5，1.2≤p≤1.8，0.1≤r≤0.8，1.2≤w≤1.9。
2.如权利要求1所述的一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用共沉淀反应得到前驱体NixMny(OH)2，将所得的NixMny(OH)2前驱体材料与锂源进行均匀混合，在氧气气氛下进行两段烧结，得到正极材料LiNixMnyO2。
(2)以摩尔比计，将钪源与锂源均匀分散于有机溶剂中，然后加入磷源与钛源，分散均匀得混合液；加入将步骤(1)制备的正极材料LiNixMnyO2，调整固液比为1g:6mL，在60～80℃蒸发3～5h，并在90～110℃真空干燥8～12h，把得到预烧物充分进行研磨，得预烧粉末，在氧气气氛下烧结处理，获到磷酸钛钪锂修饰的正极材料。
(3)将制备的导电聚合物与步骤(2)中制备的磷酸钛钪锂为第一包覆层的正极材料，混合均匀，采用机械融合法反应，合成以快离子导体为第一包覆层，导电聚合物为第二包覆层，即快离子导体和导电聚合物双重修饰的锂离子电池正极材料。
3.根据权利要求2所述一种双重修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烧结的温度为600～750℃，时间为10～13h。
4.根据权利要求2所述一种磷酸钛钪锂修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述锂源选自氢氧化锂、碳酸锂和硝酸锂中的一种或几种；所述钛源选自钛酸四丁酯、四氯化钛和异丙醇钛中的一种或几种；所述磷源选自磷酸二氢铵、磷酸氢二铵和磷酸中的一种或几种；所述磷源溶液的溶剂选自甲醇、乙醇和丙醇的一种或几种；所述钪源选自硫酸钪和硝酸钪中的一种或几种。
5.根据权利要求2任一项所述一种磷酸钛钪锂修饰的锂离子电池正极材料及其制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合液中，锂、钪、钛和磷四者的物质的量之比为1.1～1.8:0.1～0.8:1.2～1.9:2～4，更为优选的，所述锂、钪、钛和磷四者的物质的量之比为1.5:0.5:1.5:3。
6.根据权利要求2所述一种双重修饰的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的导电聚合物为聚吡咯，聚苯胺，聚吡啶，聚苯、聚苯撑乙烯、聚噻吩中的任意一种。
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