CN112164798B - 一种表面稳定性增强型正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种表面稳定性增强型正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种表面稳定增强型正极材料,包括:正极材料以及依次包覆于所述正极材料表面的表面Li层部分掺杂A金属离子的表面层和杂多酸盐包覆层,所述杂多酸盐包覆层自内层向外层依次为杂多酸锂盐包覆层以及杂多酸A盐包覆层,所述A选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐选自含M和P元素的杂多酸盐,所述M选自W、Mo和V中的一种或多种。本发明通过建立杂多酸盐包覆层,构筑稳定的空间立体保护层。同时,在包覆层建立过程中,实现部分锂层掺杂,建立锂层支柱,减少高荷电状态下的锂层坍塌。最后,利用杂多酸锂的储锂和导电特性,降低材料表面的阻抗,对于材料容量的发挥和倍率性能的提高均有裨益。

Description

一种表面稳定性增强型正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及一种表面稳定性增强型正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池三元正极材料LiNi1-x-yCoxMyO2(M=Mn或Al)比容量高,倍率性能好,价格低廉,已经得到了越来越广泛的应用。随着电动汽车、电子产品等的发展,对电池的续航要求也越来越高。然而,三元材料的理论比容量是一定的,在这个范围内,要获得更高的比容量,一个方面是提高材料的镍含量,另一方面,则需要提高材料的上限截止电压。
不论是镍含量的提高,还是上限截止电压的提高,提高材料的比容量都意味着三元材料中更多的锂离子脱出。锂离子的脱出会带来很多问题。首先,三元材料的锂离子脱出程度达到75%左右时,材料会发生H2-H3相变,H2-H3相变导致晶格c轴剧烈收缩,这导致材料内部容易产生裂纹,从而产生颗粒粉化的问题。第二,三元材料在高脱锂状态下,镍被氧化成+4价,Ni4+不稳定,容易与电解液发生副反应,导致电解液的消耗和产气问题,对电池的循环性能和安全性能都有重大的影响。Ni4+被还原形成NiO岩盐相,该过程不可逆,从而导致活性物质的损失,也增加了电池的阻抗。第三,高脱锂状态下,锂层锂离子极大减少,容易造成锂层结构的坍塌,从而导致层状结构坍塌,造成容量的极大损失。在三元材料颗粒的表面,岩盐相的生成以及锂层的坍塌表现得尤为明显。多次循环后的电池材料表面,层状结构往往被岩盐相所替代,从而造成容量降低、阻抗增加等问题,也给电池带来了安全性问题。因此,提升材料的表面稳定性,减少材料与电解液之间的副反应,维持材料表面的层状结构,对于提高材料的比容量和稳定性,尤其是材料在高截止电压下的稳定性,是至关重要的。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的技术问题在于提供一种表面稳定性增强型正极材料及其制备方法,本发明提供表面稳定性增强型正极材料表面稳定性高,使材料具有较高的比容量和稳定性,尤其是在高截止电压下具有良好的稳定性。
本发明提供了一种表面稳定增强型正极材料,包括:正极材料以及依次包覆于所述正极材料表面的表面Li层部分掺杂A金属离子的表面层和杂多酸盐包覆层,所述杂多酸盐包覆层自内层向外层依次为杂多酸锂盐包覆层以及杂多酸A盐包覆层,所述A选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐选自含M和P元素的杂多酸盐,所述M选自W、Mo和V中的一种或多种。
优选的,当M选自W和Mo中的一种或多种时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐为饱和杂多酸盐或缺位杂多酸盐。
优选的,当M选自W或Mo中的一种或多种时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐为饱和或三缺位的keggin型杂多酸盐,所述杂多酸盐中的杂多酸离子表示为(PW12O40)3-或(PW9O34)9-
优选的,当M选自V时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸离子表示为(VyP1-yO4)3-,y=0.3~0.8。
本发明还提供了一种上述表面稳定性增强型正极材料的制备方法,包括以下步骤:
A)将磷酸、含M元素的盐和水混合,加热搅拌,得到M盐溶液,M元素选自W、Mo和V中的一种或多种;
向所述M盐溶液中加入分散剂和含A元素的盐后,调节pH,得到混合溶液,A元素选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;
将所述混合溶液进行水热反应,得到反应液;
B)将所述反应液与正极材料混合搅拌,得到浆液;
将所述浆液过滤后,进行洗涤和干燥,得到粉体;
C)将所述粉体在氧气气氛下进行两段烧结,得到表面稳定性增强型正极材料。
优选的,所述含A元素的盐与含M元素的盐的摩尔比为1:(0.2~12);
所述含M元素的盐的用量为所述正极材料的质量的0.04wt%~1wt%;
所述磷酸与所述含M元素的盐的摩尔比为1:(0.4~13)。
优选的,所述含A元素的盐选自镁盐、钛盐和铌盐中的一种或多种;所述镁盐为硫酸镁、硝酸镁和氯化镁中的一种或多种,所述钛盐为硫酸氧钛,所述铌盐为草酸铌。
优选的,所述分散剂选自阿拉伯树胶、桃胶、水溶性果胶和聚乙烯吡络烷酮中的一种或多种,所述分散剂的用量为含M元素的盐的质量的1wt%~20wt%。
优选的,所述水热反应的温度为200~300℃,所述水热反应的时间为4~8h。
优选的,所述两段烧结为:
400~550℃下烧结4~6h,然后在550~700℃下烧结2~4h。
与现有技术相比,本发明提供了一种表面稳定增强型正极材料,包括:正极材料以及依次包覆于所述正极材料表面的表面Li层部分掺杂A金属离子的表面层和杂多酸盐包覆层,所述杂多酸盐包覆层自内层向外层依次为杂多酸锂盐包覆层以及杂多酸A盐包覆层,所述A选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐选自含M和P元素的杂多酸盐,所述M选自W、Mo和V中的一种或多种。本发明通过建立杂多酸盐包覆层,构筑稳定的空间立体保护层。同时,在包覆层建立过程中,实现部分锂层掺杂,建立锂层支柱,减少高荷电状态下的锂层坍塌。最后,利用杂多酸锂的储锂和导电特性,降低材料表面的阻抗,有利于锂离子的嵌入/脱出,对于材料容量的发挥和倍率性能的提高均有裨益。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的表面稳定增强型正极材料的XRD衍射图谱;
图2为本发明实施例1制备的表面稳定增强型正极材料的SEM图;
图3为本发明实施例1和对比例1提供的正极材料的倍率性能对比图,充电电压范围3.0-4.3V,测试温度25℃;
图4位本发明实施例1和对比例1提供的正极材料的在高电压下的循环性能对比图,充电电压范围3.0-4.5V,测试温度25℃。
具体实施方式
本发明提供了一种表面稳定增强型正极材料,包括:正极材料以及依次包覆于所述正极材料表面的表面Li层部分掺杂A金属离子的表面层和杂多酸盐包覆层,所述杂多酸盐包覆层自内层向外层依次为杂多酸锂盐包覆层以及杂多酸A盐包覆层,所述A选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐选自含M和P元素的杂多酸盐,所述M选自W、Mo和V中的一种或多种。
本发明对所述正极材料的种类并没有特殊限制,本领域技术人员公知的可用于锂离子电池正极材料的都可用于本发明。其中,优选的,所述正极材料选自二元正极材料或三元正极材料,更优选为镍含量大于60%的高镍二元正极材料或三元正极材料。
本发明提供的表面稳定增强型正极材料在所述正极材料表面依次包覆Li层部分掺杂A金属离子的表面层和杂多酸盐包覆层。其中,所述Li层部分掺杂A金属离子的表面层的A金属选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种。
所述杂多酸盐包覆层自内层向外层依次为杂多酸锂盐包覆层以及杂多酸A盐包覆层。
所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐选自含M和P元素的杂多酸盐,所述M选自W、Mo和V中的一种或多种。
在本发明的一些具体实施方式中,当M选自W和Mo中的一种或多种时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐为饱和杂多酸盐或缺位杂多酸盐。
在本发明的一些具体实施方式中,当M选自W或Mo中的一种或多种时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐为饱和或三缺位的keggin型杂多酸盐,所述杂多酸盐中的杂多酸离子表示为(PW12O40)3-或(PW9O34)9-
在本发明的一些具体实施方式中,当M选自V时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸离子表示为(VyP1-yO4)3-,y=0.3~0.8。
本发明还提供了一种上述表面稳定性增强型正极材料的制备方法,包括以下步骤:
A)将磷酸、含M元素的盐和水混合,加热搅拌,得到M盐溶液,M元素选自W、Mo和V中的一种或多种;
向所述M盐溶液中加入分散剂和含A元素的盐后,调节pH,得到混合溶液,A元素选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;
将所述混合溶液进行水热反应,得到反应液;
B)将所述反应液与正极材料混合搅拌,得到浆液;
将所述浆液过滤后,进行洗涤和干燥,得到粉体;
C)将所述粉体在氧气气氛下进行两段烧结,得到表面稳定性增强型正极材料。
本发明首先将磷酸和含M元素的盐,溶于去离子水中,加热搅拌,得到M盐溶液。其中,M元素选自W、Mo和V中的一种或多种,所述加热的温度为70~90℃,所述搅拌的时间为10~20min。
然后,向所述M盐溶液中加入分散剂和含A元素的盐后,继续恒温搅拌,调节pH,得到混合溶液。其中,A元素选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种,所述恒温搅拌的温度为70~90℃。
所述含A元素的盐选自镁盐、钛盐和铌盐中的一种或多种;所述镁盐为硫酸镁、硝酸镁和氯化镁中的一种或多种,所述钛盐为硫酸氧钛,所述铌盐为草酸铌。所述分散剂选自阿拉伯树胶、桃胶、水溶性果胶和聚乙烯吡络烷酮中的一种或多种,所述分散剂的用量为含M元素的盐的质量的1wt%~20wt%,在本发明的一些具体实施方式中,所述分散剂的用量为含M元素的盐的质量的1wt%,5wt%,8wt%,12wt%,15wt%,20wt%,或者1wt%~20wt%范围内的任意值。
调节pH所用的pH调节剂优选为饱和碳酸钠溶液,调节pH至5.0~8.0。
然后将所述混合溶液装入反应釜中进行水热反应。所述水热反应的温度为200~300℃,在本发明的一些具体实施方式中,所述水热反应的温度为200℃,220℃,240℃,260℃,280℃,300℃,或者200~300℃范围内的任意值。所述水热反应的时间为4~8h,在本发明的一些具体实施方式中,所述水热反应的时间为4h,5h,6h,7h,8h,或者4~8h范围内的任意值。
其中,所述含A元素的盐与含M元素的盐的摩尔比为1:(0.2~12),在本发明的一些具体实施方式中,所述含A元素的盐与含M元素的盐的摩尔比为1:0.2,1:0.5,1:1,1:3,1:6,1:8,1:10,1:11,1:12,或1:(0.2~12)范围内的任意值。
所述磷酸与所述含M元素的盐的摩尔比为1:(0.4~13),在本发明的一些具体实施方式中,所述磷酸与所述含M元素的盐的摩尔比为1:0.4,1:1,1:3,1:5,1:8,1:10,1:12,或1:(0.4~13)范围内的任意值。
水热反应后,得到反应液。将所述反应液冷却后于不断搅拌下加入正极材料,得到浆液。其中,所述混合搅拌的时间为10~30min。
所述含M元素的盐的用量为所述正极材料的质量的0.04wt%~1wt%,在本发明的一些具体实施方式中,所述含M元素的盐的用量为所述正极材料的质量的0.04wt%,0.1wt%,0.3wt%,0.7wt%,0.9wt%,1wt%,或者0.04wt%~1wt%范围内的任意值。
然后将所述浆液过滤后,进行洗涤和干燥,得到粉体。本发明对所述过滤、洗涤和干燥的具体方法并没有特殊限制,本领域技术人员公知的方法即可。
最后,将所述粉体在氧气气氛下进行两段烧结,得到表面稳定性增强型正极材料。所述两段烧结为:
400~550℃下烧结4~6h,然后在550~700℃下烧结2~4h。
本发明通过水热反应,得到A金属的杂多酸盐,该杂原子多酸盐是由PO4、MO6或VO4等含氧多面体按照一定规律形成的空间立体结构,具有较强的稳定性,包覆在正极材料表面,可提供较好的保护作用,减少副反应的发生。
Mg2+,Ti4+或Nb5+具有和Li+相近的离子半径,通过高低温分段烧结,低温段促使包覆层在正极材料表面紧密结合,高温段促使杂多酸盐中的Mg2+,Ti4+或Nb5+与材料表面的Li层发生部分掺杂。当材料脱锂程度较高时,Mg2+,Ti4+或Nb5+可在Li层中提供支柱作用,减少材料表面的Li层坍塌,有利于提高材料高电压下的稳定性。
Mg2+,Ti4+或Nb5+与材料表面的Li层发生部分交换后,形成杂多酸锂盐,该产物具有一定的储锂和锂离子导电性,有利于锂离子的脱嵌。
和现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)杂多酸A盐(A=Mg2+,Ti4+或Nb5+)包覆层具有稳定的空间立体结构,可给正极材料表面提供稳定的保护作用。
(2)杂多酸锂具有一定的储锂和锂离子导电性,有利于锂离子的脱嵌,可提高材料的倍率性能。
(2)部分交换的A离子(A=Mg2+,Ti4+或Nb5+)进入锂层,可提供支柱作用,稳定锂层结构,防止锂离子过度脱出后的锂层坍塌,有利于材料在高温和高电压下的性能发挥。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的表面稳定性增强型正极材料及其制备方法进行说明,本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1:
称取二水钨酸钠1g,磷酸0.025克,溶于100mL去离子水中,加热至90℃并恒温搅拌20min;加入硫酸镁0.046克,阿拉伯树胶0.01克,继续恒温搅拌,然后用饱和碳酸钠溶液调节pH至8.0。将混合溶液装入反应釜中,200℃下水热反应8h,得到Mg1.5PW12O40纳米粒子分散液。
将水热反应后的溶液取出,冷却后于不断搅拌下加入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2单晶三元材料100g,混合搅拌30min后,将浆液过滤、洗涤并干燥。
将干燥后的粉体在氧气气氛下进行两段烧结,550℃下烧结4h,然后在700℃下烧结2h,得到表面稳定增强型正极材料。
图1为实施例1表面稳定增强型正极材料的XRD衍射图谱,从图中可以看出,包覆后的材料衍射峰半峰宽窄且尖锐,说明结晶度较好,符合α-NaFeO2结构。(006)/(102)和(108)/(110)分裂较好,说明层状结构完好。除此之外,未见有包覆物质的衍射峰存在。图2为实施例1表面稳定增强型正极材料的SEM图。从图中可以看出,材料表面包覆层非常均匀。
对比例1:
对比例1为未包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2单晶三元材料。
将上述实施例1和对比例1所制备的三元材料,以相同的方法组装成扣式电池:将正极材料与导电炭黑super P、粘合剂聚偏氟乙烯(PVDF)按重量比88:6:6加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中进行充分混合,搅拌形成均匀胶料,涂布在铝箔集流体上,干燥并压制成极片。将压制后的正极片进行冲片,称重,烘烤,然后在真空手套箱内进行电池组装,先放扣式电池的壳底,在壳底上面放上不锈钢弹片,滴加电解液,后放置负极金属锂片(天津产,99.9%),再次滴加电解液,再放置PP/PE复合材料隔膜,再滴加电解液,再放置正极片,然后盖上扣式电池的壳盖,进行封口。所用电解质为1mol/L的LiPF6/
(EC:DMC=1:1)溶液。本实验选用Land测试系统进行电化学性能检测。
图3为实施例1和对比例1正极材料的倍率性能对比图,充电电压3.0-4.3V。可以看出,实施例1经过本发明的包覆处理后,容量和倍率性能相比对比例1都有所提高,在高倍率放电条件下容量衰减较小。说明实施例1材料表面所形成的磷钨酸锂更加有利于锂离子的脱出和嵌入,有利于容量的发挥和倍率型能的提升。
图4为实施例1和对比例1在3.0-4.5V下的循环保持率对比图,可以看出,实施例1在磷钨酸镁的包覆作用下,保持了非常高的循环稳定性;加之部分Mg2+进入材料表面Li层提供支柱作用,保证了材料在高脱锂状态下锂层的完好,因此实施例1即使在高截止电压下也能保持非常高的循环稳定性。而对比例1则在高电压下表现出了较差的循环稳定性。
实施例2:
称取钼酸铵0.5g,磷酸0.028克,溶于100mL去离子水中,加热至70℃并恒温搅拌20min;加入硫酸氧钛0.102克,桃胶0.05克,继续恒温搅拌,然后用饱和碳酸钠溶液调节pH至5.0。将混合溶液装入反应釜中,300℃下水热反应4h,得到Ti2.25PMo9O34纳米粒子分散液。
将水热反应后的溶液取出,冷却后于不断搅拌下加入LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2常规三元材料100g,混合搅拌30min后,将浆液过滤、洗涤并干燥。
将干燥后的粉体在氧气气氛下进行两段烧结,400℃下烧结6h,然后在550℃下烧结4h,得到表面稳定增强型正极材料。
实施例3:
称取钒酸钠0.04g,磷酸0.021克,溶于100mL去离子水中,加热至80℃并恒温搅拌20min;加入草酸铌0.140克,聚乙烯吡络烷酮0.008克,继续恒温搅拌,然后用饱和碳酸钠溶液调节pH至6.8。将混合溶液装入反应釜中,260℃下水热反应6h,得到Nb0.6P0.5V0.5O4纳米粒子分散液。
将水热反应后的溶液取出,冷却后于不断搅拌下加入LiNi0.95Mn0.05O2无钴二元材料100g,混合搅拌30min后,将浆液过滤、洗涤并干燥。
将干燥后的粉体在氧气气氛下进行两段烧结,500℃下烧结5h,然后在600℃下烧结3h,得到表面稳定增强型正极材料。
表1实施例1~3和对比例1的循环性能数据
Figure BDA0002706412700000081
Figure BDA0002706412700000091
表1为实施例1~3和对比例1的循环性能数据表,从表1中可以看出,实施例1-3在高电压下均具有较好的循环稳定性和较高的容量。这是因为杂多酸锂包覆提高了材料的离子导电性和电子导电性,促进了锂离子脱嵌,容量发挥更好。同时,杂多酸A盐以及部分嵌入锂层的A离子保证了材料在高脱锂状态下的稳定性,较好地维持了材料的层状结构,因此保证了材料在高电压下的循环性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种表面稳定性增强型正极材料,其特征在于,包括:正极材料以及依次包覆于所述正极材料表面的Li层部分掺杂A金属离子的表面层和杂多酸盐包覆层,所述杂多酸盐包覆层自内层向外层依次为杂多酸锂盐包覆层以及杂多酸A盐包覆层,所述A选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐选自含M和P元素的杂多酸盐,所述M选自W、Mo和V中的一种或多种;
所述表面稳定性增强型正极材料的制备方法包括以下步骤:
A)将磷酸、含M元素的盐和水混合,加热搅拌,得到M盐溶液,M元素选自W、Mo和V中的一种或多种;
向所述M盐溶液中加入分散剂和含A元素的盐后,调节pH,得到混合溶液,A元素选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;
将所述混合溶液进行水热反应,得到反应液;
所述水热反应的温度为200~300℃,所述水热反应的时间为4~8h;
B)将所述反应液与正极材料混合搅拌,得到浆液;
将所述浆液过滤后,进行洗涤和干燥,得到粉体;
C)将所述粉体在氧气气氛下进行两段烧结,得到表面稳定性增强型正极材料;
所述两段烧结为:
400~550℃下烧结4~6h,然后在550~700℃下烧结2~4h。
2.根据权利要求1所述的表面稳定性增强型正极材料,其特征在于,当M选自W和Mo中的一种或多种时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐为饱和杂多酸盐或缺位杂多酸盐。
3.根据权利要求1所述的表面稳定性增强型正极材料,其特征在于,当M选自W或Mo中的一种或多种时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸盐为饱和或三缺位的keggin型杂多酸盐,所述饱和杂多酸盐的杂多酸离子表示为(PW12O40)3-,所述三缺位的keggin型杂多酸盐的杂多酸离子表示为(PW9O34)9-
4.根据权利要求1所述的表面稳定性增强型正极材料,其特征在于,当M选自V时,所述杂多酸盐包覆层中的杂多酸离子表示为(VyP1-yO4)3-,y=0.3~0.8。
5.一种如权利要求1~4任意一项所述的表面稳定性增强型正极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
A)将磷酸、含M元素的盐和水混合,加热搅拌,得到M盐溶液,M元素选自W、Mo和V中的一种或多种;
向所述M盐溶液中加入分散剂和含A元素的盐后,调节pH,得到混合溶液,A元素选自Mg、Ti和Nb中的一种或多种;
将所述混合溶液进行水热反应,得到反应液;
B)将所述反应液与正极材料混合搅拌,得到浆液;
将所述浆液过滤后,进行洗涤和干燥,得到粉体;
C)将所述粉体在氧气气氛下进行两段烧结,得到表面稳定性增强型正极材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述含A元素的盐与含M元素的盐的摩尔比为1:(0.2~12)。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述含M元素的盐的用量为所述正极材料的质量的0.04wt%~1wt%。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述磷酸与所述含M元素的盐的摩尔比为1:(0.4~13)。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述含A元素的盐选自镁盐、钛盐和铌盐中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述镁盐为硫酸镁、硝酸镁和氯化镁中的一种或多种。
11.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述钛盐为硫酸氧钛。
12.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述铌盐为草酸铌。
13.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述分散剂选自阿拉伯树胶、桃胶、水溶性果胶和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
14.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述分散剂的用量为含M元素的盐的质量的1 wt%~20 wt%。
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