CN112002902A - 一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料及其制备方法。材料表面有快离子导体和导电聚合物形成的双包覆层，其中快离子导体和导电聚合物分别为第一和第二包覆层。三元材料组成成分为Li(NixCoyMnz)O2，快离子导体层的组成成分为LipLaqTiw(PO4)3，其中x、y、z、p、q、w为摩尔数，0.6≤x<1，0<y≤0.2，0<z≤0.2，x+y+z＝1；3.2≤p+q+w≤3.5，1.2≤p≤1.5，0.2≤q≤0.5，1.5≤w≤1.8。本发明的制备方法如下：先采用高温固相法将快离子导体包覆于三元正极材料表面，随后将导电聚合物包覆于成品上；获得双重修饰的锂离子电池三元正极材料。通过本发明得到的正极材料组装成固态电池，电化学性能优异。且制作方法简单易行，环境污染少，经济效益优异，具有很好的价值。

Description

一种双重修饰的锂离子电池三元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三元正极材料及其制备方法
背景技术
目前，三元正极材料朝着高高镍材料发展，随着Ni的含量的提高，锂离子电池的容量、能量密度也会相应提高。因此许多研究人员致力于开发大容量，快速充放电速率和长寿命的正极材料。在这方面，可逆容量和低成本的高镍材料已引起越来越多的关注。
三元材料在充放电过程中主要依靠镍元素的变价，因此提高三元材料中的镍含量能够提高材料的可逆比容量。尽管高镍三元材料在能量密度方面相比于其他几种正极材料有较大优势，但是也继承了LiNiO2的一些缺点，镍含量的增加，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，该缺点限制了高镍正极材料的应用。
因此，针对现有技术不足，提供一种能同时提高三元材料循环、倍率性能，热稳定性能的锂离子电池三元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三元正极材料。本发明正极材料组装的电池首次放电容量高，循环稳定性好。
本发明进一步所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料及其制备方法。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三元正极材料，其特征在于，三元材料组成成分为Li(NixCoyMnz)O2，快离子导体层的组成成分为LipLaqTiw(PO4)3，其中x、y、z、p、q、w为摩尔数，0.6≤x<1，0<y≤0.2，0<z≤0.2，x+y+z＝1；3.2≤p+q+w≤3.5，1.2≤p≤1.5，0.2≤q≤0.5，1.5≤w≤1.8。
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三元正极材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)用共沉淀反应得到前驱体NixCoyMnz(OH)2，将所得的NixCoyMnz(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Li(NixCoyMnz)O2。
(2)以摩尔比计，将锂源和镧源均匀分散于有机溶剂中，然后缓慢加入磷源与钛源，分散均匀，得到混合液；向所得混合液中加入步骤(1)得到的正极材料Li(NixCoyMnz)O2，调整固液比为1g:6～15mL，搅拌蒸发溶剂，得到黑色浆料；真空干燥，获得预烧物，对所得预烧物进行研磨，获得预烧粉末；然后在氧气气氛下烧结，得到所述磷酸钛镧锂修饰的正极材料。
(3)将制备的导电聚合物与步骤(2)中制备的磷酸钛镧锂为第一包覆层的三元正极材料，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三元正极材料。
优选的，步骤(2)中，所述混合液中，锂、镧、钛和磷四者的物质的量之比为1.2～1.5:0.2～0.5:1.5～1.8:2～4。更为优选的锂、镧、钛和磷四者的物质的之比为1.3:0.3:1.7:3。
优选的，步骤(2)中，所述蒸发溶剂的温度为60～85℃，时间为3～8h。
优选的，步骤(2)中，所述蒸发溶剂的温度为75～80℃，时间为3～4h。
优选的，步骤(2)中，所述真空干燥温度为80～110℃，时间为6～12h。
优选的，骤(2)中所述研磨时间为5～10min。
优选的，步骤(2)中，所述烧结的温度为600～800℃，时间为9～15h。
优选的，步骤(3)，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)本发明正极材料为单晶颗粒，表层有双包覆层；本发明正极材料具有优异的电化学性能，采用本发明正极材料组装的电池，在2.75～4.4V，1C下，首次放电克容量达200.3mAh/g，1C下循环100圈，容量仍为179.8mAh/g，容量保持率达89.77％；
(2)本发明制备方法使得磷酸钛镧锂和导电聚合物成功的包覆在正极材料表层；且制作方法简单易行，环境污染少，经济效益优异，具有很好的价值。
附图说明
图1是本发明实施例2所得的正极材料的SEM图；
图2是本发明实施例2所得的正极材料的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
以下结合具体实例和附图对本发明进行进一步的说明。
实施例1
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.88Co0.06Mn0.06(OH)2，将所得的Ni0.88Co0.06Mn0.06(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Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2。
(2)以摩尔比计，以硝酸镧、硝酸锂、磷酸、钛酸四丁酯与得到的正极材料Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2材料按照La：Li：P：Ti：(Ni+Co+Mn)＝0.3:1.3:3:1.7:1，称取0.003mol的硝酸镧、0.013mol的硝酸锂、0.03mol的磷酸、0.017mol的钛酸四丁酯。将0.003mol的硝酸镧和0.013mol的硝酸锂均匀分散于无水乙醇中，形成均匀混合溶液A，将0.03mol的磷酸、0.017mol的钛酸四丁酯均匀的加入到溶液A中；缓慢加入1mol正极材料Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2，调整固液比为1g:7mL，在80℃搅拌蒸发3h，并在100℃真空干燥11h，获得预烧物。把得到预烧物充分研磨10min，获得预烧粉末，在氧气气氛下650℃烧结处理12h，得到最终产物Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2·0.01Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3。
(3)将制备的导电聚合物0.01mol聚吡咯与步骤(2)中制备Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2·0.01Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3，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三元正极材料。
对本实施例所得的双重修饰的锂离子电池三元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2～4μm。表层有磷酸钛镧锂和聚吡咯包覆层，厚度为2～5nm，所述正极材料的XRD结果如图2所示，存在Li[Ni0.9Co0.05Mn0.05]O2和Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3和聚吡咯三个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成电池；在2.75～4.4V电压范围内，1C倍率下，首次放电克容量达199.4mAh/g，1C下循环100圈，容量为178.22mAh/g，容量保持率达89.37％(具体参见图3所示的曲线)。
实施例2
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.88Co0.06Mn0.06(OH)2，将所得的Ni0.88Co0.06Mn0.06(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Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2。
(2)以摩尔比计，以硝酸镧、氢氧化锂、磷酸二氢铵、异丙醇钛与得到的正极材料Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2材料按照La：Li：P：Ti：(Ni+Co+Mn)＝0.3:1.3:3:1.7:1，称取0.006mol的硝酸镧、0.026mol的氢氧化锂、0.06mol的磷酸二氢铵、0.034mol的异丙醇钛。将0.006mol的硝酸镧和0.026mol的氢氧化锂均匀分散于无水乙醇中，形成均匀混合溶液A，将0.06mol的磷酸二氢铵、0.034mol的异丙醇钛均匀的加入到溶液A中；缓慢加入1mol正极材料Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2，调整固液比为1g:8mL，在80℃搅拌蒸发3.5h，并在100℃真空干燥10h，获得预烧物。
(3)将制备的导电聚合物0.02mol聚吡咯与步骤(2)中制备Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2·0.02Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3，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三元正极材料。
对本实施例所得的双重修饰的锂离子电池三元正极材料进行表征和检测，表层有磷酸钛镧锂和聚吡咯包覆层，厚度为2～5nm，存在Li[Ni0.9Co0.05Mn0.05]O2和Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3和聚吡咯三个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成电池；在2.75～4.4V，1C下，首次放电克容量达200.3mAh/g，1C下循环100圈，容量仍为179.8mAh/g，容量保持率达89.77％。
实施例3
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.88Co0.06Mn0.06(OH)2，将所得的Ni0.88Co0.06Mn0.06(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Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2。
(2)以摩尔比计，以硝酸镧、碳酸锂、磷酸氢二铵、四氯化钛与得到的正极材料Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2材料按照La：Li：P：Ti：(Ni+Co+Mn)＝0.3:1.3:3:1.7:1，称取0.009mol的硝酸镧、0.0195mol的碳酸锂、0.09mol的磷酸氢二铵、0.051mol的四氯化钛。将0.009mol的硝酸镧和0.0195mol的碳酸锂均匀分散于无水乙醇中，形成均匀混合溶液A，将0.09mol的磷酸氢二铵和0.051mol的四氯化钛均匀的加入到溶液A中；缓慢加入1mol正极材料Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2，调整固液比为1g:10mL，在80℃搅拌蒸发3.5h，并在100℃真空干燥8h，获得预烧物。
(3)将制备的导电聚合物0.03mol聚吡咯与步骤(2)中制备Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2·0.03Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3，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三元正极材料。
对本实施例所得的双重修饰的锂离子电池三元正极材料进行表征和检测，表层有磷酸钛镧锂和聚吡咯包覆层，厚度为2～5nm，存在Li[Ni0.9Co0.05Mn0.05]O2和Li1.3La0.3Ti1.7(PO4)3和聚吡咯三个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成电池；在2.75～4.4V电压范围内，1C倍率下，首次放电克容量达198.34mAh/g，1C下循环100圈，容量为177.28mAh/g，容量保持率达89.38％。
对比例1
(1)用共沉淀反应得到前驱体Ni0.88Co0.06Mn0.06(OH)2，将所得的Ni0.88Co0.06Mn0.06(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Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2。
对本实施例所得的三元正极材料进行表征和检测，存在Li[Ni0.88Co0.06Mn0.06]O2一个物相。
采用本实施例所得正极材料组装成电池；在2.75～4.4V电压范围内，1C倍率下，首次放电克容量达200.1mAh/g，1C下循环100圈，容量为129.8mAh/g，容量保持率达64.87％(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三元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 (5)

1.一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料，其特征在于，三元材料组成成分为Li(NixCoyMnz)O2，快离子导体层的组成成分为LipLaqTiw(PO4)3，其中x、y、z、p、q、w为摩尔数，0.6≤x<1，0<y≤0.2，0<z≤0.2，x+y+z＝1；3.2≤p+q+w≤3.5，1.2≤p≤1.5，0.2≤q≤0.5，1.5≤w≤1.8。
2.如权利要求1所述的一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用共沉淀反应得到前驱体NixCoyMnz(OH)2，将所得的NixCoyMnz(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Li(NixCoyMnz)O2。
(2)以摩尔比计，将锂源和镧源均匀分散于有机溶剂中，然后缓慢加入磷源与钛源，分散均匀，得到混合液；向所得混合液中加入步骤(1)得到的正极材料Li(NixCoyMnz)O2，调整固液比为1g:6～15mL，搅拌蒸发溶剂，得到黑色浆料；真空干燥，获得预烧物，对所得预烧物进行研磨，获得预烧粉末；然后在氧气气氛下烧结，得到所述磷酸钛镧锂修饰的正极材料。
(3)将制备的导电聚合物与步骤(2)中制备的磷酸钛镧锂为第一包覆层的三元正极材料，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三元正极材料。
3.根据权利要求2所述一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合液中，锂、镧、钛和磷四者的物质的量之比为1.2～1.5:0.2～0.5:1.5～1.8:2～4。更为优选的锂、镧、钛和磷四者的物质的之比为1.3:0.3:1.7:3，所述蒸发溶剂的温度为60～85℃，时间为3～8h，所述蒸发溶剂的温度为75～80℃，时间为3～4h，所述真空干燥温度为80～110℃，时间为6～12h。
4.根据权利要求2所述一种双重修饰的锂离子电池三元正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述研磨时间为5～10min；所述烧结的温度为600～800℃，时间为9～15h。
5.根据权利要求2所述一种双重修饰的锂离子电池三元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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