CN112421039A - 一种氟硅烷包覆的复合正极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域,尤其涉及一种氟硅烷包覆复合正极材料及其制备方法和应用。复合正极材料为正极材料表面包覆氟硅烷;所述氟硅烷与正极材料的质量比为0.1~5:95~99.9。本发明包覆后的复合正极材料在可逆比容量、循环性能及存储稳定性等性能方面得到了显著提升。本发明制备工艺简单、所需制备条件温和、成本易控。制备的高性能正极材料广泛适用于锂离子电池、固态锂电池正极中,对降低正极材料存储、涂布等后续工艺成本具有较大的意义。

Description

一种氟硅烷包覆的复合正极材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,尤其涉及一种氟硅烷包覆复合正极材料及其制备方法和应用。
背景技术
由于锂离子电池能量密度高、循环寿命长、倍率性能优异已在便携式电子产品、新能源汽车、分布式储能、航空航天等领域得到普遍的应用。目前,制约锂离子电池能量密度进一步提高关键是如何提升正极材料比容量、工作电压窗口,研究人员为此做了大量研究和开发工作。近年来,由于xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Mn,Co,Ni;0≤x≤1.0)、LiNixCoyMn1-x-yO2(0<x≤0.9,0<y<1.0,0<x+y<1.0)系列正极材料的高比容量、宽电压窗口、低成本、低毒性等特点,受到了广泛关注,被认为是最有前景的下一代高性能锂离子电池正极材料。
目前,为了提高Li[Ni,Co,Mn]O2正极材料的电化学性能,主要针对提升材料的循环性能,在材料表面包覆SiO2(ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8,18439)、Co3O4(Electrochim.Acta,2016,210,548)、CeO2(J.Power Sources,2015,281,370)、Al2O3(J.Alloys Compd.,2014,611,135),包覆层抑制了HF对过渡金属离子的溶解作用以及提升了材料的热稳定性能。在材料表面包覆一层Li2Si2O5(J.Alloys Compd.,2016,674,447),增加了材料的可逆比容量,这是因为Li2Si2O5也具有一定的储锂能力。但以上研究没有涉及环境湿度对正极材料性能的影响,三元正极材料在空气中长期储存过程中,由于空气潮湿等不良条件,正极材料表面吸收较多的结晶水,引起充放电过程中电解液在电极表面的分解,大量的电解液分解产物覆盖在正极材料的表面,对材料产生腐蚀,引起过渡金属元素的溶解,导致可逆容量的降低。现有技术对该问题的解决方案研究较少。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的是提供一种氟硅烷包覆的复合正极材料及其制备方法和应用。
为实现上述目的,本发明采用技术方案为:
一种氟硅烷包覆的复合正极材料,复合正极材料为正极材料表面包覆氟硅烷;所述氟硅烷与正极材料的质量比为0.1~5:95~99.9,进一步优选为0.5~2:98~99.5。
所述复合正极材料为氟硅烷溶于溶剂中形成溶液,将正极材料加入该溶液中混匀后干燥,即得。
所述氟硅烷在溶剂中的分散稀释按质量计浓度为1~10wt%,进一步优选为5~8wt%。
所述氟硅烷分子式为(RO)x-Si-R’F,其中,R=CH3-,CH3CH2-或C6H5-;x=1~3的整数;R’=(CF2)n-,n=1-8。
所述氟硅烷为三氟甲基三甲基硅烷、三氟丙烷三甲氧基硅烷、五氟苯基三乙氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟辛基三甲氧基硅烷、全氟聚醚三甲氧基硅烷、聚(十七氟葵基)甲基硅氧烷、聚(九氟己基)硅氧烷、聚三氟丙基甲基硅氧烷中的一种或几种混合物;进一步优选为十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三乙氧基硅烷。
所述溶剂是乙醇、异丙醇、乙二醇、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、一缩二乙二醇中的一种或多种;进一步优选为乙醇、乙二醇或N,N-二甲基甲酰胺。
所述三元正极材料为xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Mn,Co,Ni;0≤x≤1.0)、LiNixCoyMn1-x-yO2(0<x≤0.9,0<y<1.0,0<x+y<1.0)、LiNixCoyAlzO2(x+y+z=1)中的一种。
一种氟硅烷包覆的复合正极材料,复合正极材料为氟硅烷溶于溶剂中形成溶液,将正极材料加入该溶液中混匀后干燥,即得;所述氟硅烷与正极材料的质量比为0.1~5:95~99.9。
一种所述氟硅烷包覆复合正极材料的应用,所述氟硅烷包覆的复合正极材料在锂离子电池、固态锂电池正极中的应用,可以在湿度50~90%的空气环境中储存0~48小时,材料的容量仍能保证使用。
本发明所具有的优点:
本发明针对三元正极材料在空气中不能长时间储存的问题,经长期深入研究发现,在正极材料表面包覆一层氟硅烷类憎水材料,所形成的表面包覆层可以降低正极材料在空气中的裸露面积,减少表面与H2O/CO2的副反应、减少LiOH/Li2CO3杂质的形成,提高正极材料在空气中尤其是潮湿环境的储存稳定性。
本发明于正极材料表面包覆氟硅烷类憎水材料层将其锂电池中可以在电池循环过程中起到保护高脱锂态活性材料免受HF的破坏的作用,阻止正极材料与电解液发生副反应,包覆后的复合正极材料在可逆比容量、循环性能及存储稳定性等性能方面得到了显著提升。
本发明采用的溶液法可实现材料的均匀包覆,该方法操作简单、所需制备条件温和。利用该方法制备的正极材料在空气中的存储稳定性优异,同时还具有抑制电解液对材料的侵蚀、可逆比容量高、循环性能优异等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的包覆材料的透射电镜图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明,应当指出的是,此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明,并不局限于本发明。
本发明材料是将氟硅烷分散到有机溶剂中,加入正极材料粉末,搅拌、蒸发溶剂,最终在正极材料表面形成一层均匀紧密包覆层。利用氟硅烷的憎水性,减少表面与H2O的副反应、减少LiOH杂质的形成,提高正极材料在空气中尤其是潮湿环境的储存稳定性。包覆后的复合正极材料在可逆比容量、循环性能及存储稳定性等性能方面得到了显著提升。本发明制备工艺简单、溶剂易回收、可重复利用、成本易控。制备的高性能正极材料广泛适用于锂离子电池、固态锂电池正极中,对降低正极材料存储、涂布等后续工艺成本具有较大的意义。
本发明制备的高性能复合正极材料广泛适用于锂离子电池、固态锂电池正极中,对降低正极材料存储、涂布等后续工艺成本具有较大的意义。
实施例1
将Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2前驱体与一定化学计量比的锂源(5%过量)混合研磨,在管式炉氧气氛围下(流量200ml/min),800℃煅烧12小时,获得LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极材料。
将0.036g十七氟癸基三乙氧基硅烷溶解到0.684g乙醇中稀释质量浓度5wt%,搅拌1小时;再加入2.364g LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极粉末,搅拌2小时;70℃蒸发掉乙醇,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料(参见图1)。
由图1透射电镜图可见,在正极颗粒表面形成了均匀的包覆层。
将复合正极材料、导电助剂SuperP及粘结剂PVDF按80:10:10的质量比称取,有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为分散剂加入研钵中混合,研磨获得均匀的浆料,并将浆料涂覆在铝箔上,在真空干燥箱中120℃干燥400分钟。将干燥后的极板切割为直径12mm的圆形极片,组装2032型纽扣电池:隔膜为Celgard 2400型PP膜,负极为高纯锂片,电解液为1MLiPF6 EC/DMC(v:v=1:1)二元混合溶剂酯类电解液。充放电性能采用CT2001A型蓝电电池测试系统测试。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为185.4mAh g-1,首次充放电效率83.5%,1C充放电循环500次,容量保持率为79.0%,500次循环的平均库伦效率为99.3%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为175.3mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例2
将实施例1中的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极粉末加入量改为7.164g,余与实施例1相同,得到0.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为182.6mAh g-1,首次充放电效率83.2%,1C充放电循环500次,容量保持率为55.7%,500次循环的平均库伦效率为99.1%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为171.3mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例3
将实施例1中的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极粉末加入量改为3.564g,余与实施例1相同,得到1.0wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为183.7mAh g-1,首次充放电效率82.7%,1C充放电循环500次,容量保持率为68.7%,500次循环的平均库伦效率为99.1%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为172.8mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例4
将实施例1中的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元正极粉末加入量改为1.764g,余与实施例1相同,得到2.0wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为184.4mAh g-1,首次充放电效率81.9%,1C充放电循环500次,容量保持率为55.7%,500次循环的平均库伦效率为99.0%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为173.1mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例5
将实施例1中的正极原料改为富锂0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的富锂正极材料
电化学测试结果:工作电压2.0~4.8V,0.1C(1C=250mAh g-1)的放电比容量为269.5mAh g-1,首次充放电效率80.1%,1C充放电循环500次,容量保持率为72.7%,500次循环的平均库伦效率为99.2%,而未包覆材料的容量保持率仅为35.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为257.1mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为230.3mAh g-1
实施例6
将实施例1中的正极原料改为富锂0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的富锂正极材料
电化学测试结果:工作电压2.0~4.8V,0.1C(1C=250mAh g-1)的放电比容量为264.4mAh g-1,首次充放电效率79.5%,1C充放电循环500次,容量保持率为71.1%,500次循环的平均库伦效率为99.0%,而未包覆材料的容量保持率仅为34.8%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为256.1mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为231.6mAh g-1
实施例7
将实施例1中的正极原料改为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为179.4mAh g-1,首次充放电效率82.8%,1C充放电循环500次,容量保持率为77.1%,500次循环的平均库伦效率为99.1%,而未包覆材料的容量保持率仅为37.4%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为170.7mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为155.7mAh g-1
实施例8
将实施例1中的氟硅烷原料改为十三氟辛基三甲氧基硅烷,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为182.1mAh g-1,首次充放电效率82.2%,1C充放电循环500次,容量保持率为77.3%,500次循环的平均库伦效率为99.2%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为174.2mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例9
将实施例1中的氟硅烷原料改为九氟己基三甲氧基硅烷,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为181.4mAh g-1,首次充放电效率83.2%,1C充放电循环500次,容量保持率为78.4%,500次循环的平均库伦效率为99.1%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为173.7mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例10
将实施例1中的氟硅烷原料改为聚三氟丙基甲基硅氧烷,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为180.3mAh g-1,首次充放电效率82.6%,1C充放电循环500次,容量保持率为77.9%,500次循环的平均库伦效率为99.2%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为172.4mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例11
将实施例1中的氟硅烷原料改为聚(十七氟葵基)甲基硅氧烷,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为180.1mAh g-1,首次充放电效率83.1%,1C充放电循环500次,容量保持率为78.0%,500次循环的平均库伦效率为99.0%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为173.1mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例12
将实施例1中的氟硅烷的稀释溶剂改为异丙醇,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为184.1mAh g-1,首次充放电效率83.2%,1C充放电循环500次,容量保持率为78.1%,500次循环的平均库伦效率为99.2%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为174.9mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例13
将实施例1中的氟硅烷的稀释浓度改为1%,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为184.8mAh g-1,首次充放电效率82.6%,1C充放电循环500次,容量保持率为78.1%,500次循环的平均库伦效率为99.0%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为175.0mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例14
将实施例1中的氟硅烷的稀释浓度改为10%,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为185.1mAh g-1,首次充放电效率83.2%,1C充放电循环500次,容量保持率为78.3%,500次循环的平均库伦效率为99.2%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为174.7mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例15
将实施例1中所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在50%湿度环境中存放24小时,余与实施例1相同。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为182.6mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为163.8mAh g-1
实施例16
将实施例1中所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在70%湿度环境中存放24小时,余与实施例1相同。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为180.5mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为158.8mAh g-1
实施例17
将实施例1中所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放48小时,余与实施例1相同。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为162.6mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为132.4mAh g-1
实施例18
将实施例1中的氟硅烷原料改为十七氟癸基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷等质量混合物,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为182.6mAh g-1,首次充放电效率83.0%,1C充放电循环500次,容量保持率为77.1%,500次循环的平均库伦效率为99.1%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为172.0mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
实施例19
将实施例1中的乙醇溶剂改为乙醇与乙二醇等质量混合物,余与实施例1相同,得到1.5wt%氟硅烷包覆的三元正极材料。
电化学测试结果:工作电压2.6~4.3V,0.1C(1C=200mAh g-1)的放电比容量为183.4mAh g-1,首次充放电效率82.9%,1C充放电循环500次,容量保持率为77.1%,500次循环的平均库伦效率为99.0%,而未包覆材料的容量保持率仅为36.9%。
所得的复合正极材料与未包覆的正极材料在90%湿度环境中存放24小时,然后采用同样的过程测试其充放电性能。0.1C倍率下,包覆材料的放电比容量为171.6mAh g-1,而未包覆材料的放电比容量为151.3mAh g-1
以上实施例仅为本发明的优选实施方式,并不用以限制本发明,在不改变本发明目的和原则的前提下,所作的任何修改和改进等,均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:复合正极材料为正极材料表面包覆氟硅烷;所述氟硅烷与正极材料的质量比为0.1~5:95~99.9。
2.按权利要求1所述的氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:所述复合正极材料为氟硅烷溶于溶剂中形成溶液,将正极材料加入该溶液中混匀后干燥,即得。
3.按权利要求2所述的氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:所述氟硅烷在溶剂中的分散稀释按质量计浓度为1~10wt%。
4.按权利要求1-3任意一项所述的氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:所述氟硅烷分子式为(RO)x-Si-R’F,其中,R=CH3-,CH3CH2-或C6H5-;x=1~3的整数;R’=(CF2)n-,n=1-8。
5.按权利要求4所述的氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:所述氟硅烷为三氟甲基三甲基硅烷、三氟丙烷三甲氧基硅烷、五氟苯基三乙氧基硅烷、九氟己基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟辛基三甲氧基硅烷、全氟聚醚三甲氧基硅烷、聚(十七氟葵基)甲基硅氧烷、聚(九氟己基)硅氧烷、聚三氟丙基甲基硅氧烷中的一种或几种混合物。
6.按权利要求2所述的氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:所述溶剂是乙醇、异丙醇、乙二醇、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、一缩二乙二醇中的一种或多种。
7.按权利要求1-3任意一项所述的氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:所述三元正极材料为xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Mn,Co,Ni;0≤x≤1.0)、LiNixCoyMn1-x-yO2(0<x≤0.9,0<y<1.0,0<x+y<1.0)、LiNixCoyAlzO2(x+y+z=1)中的一种。
8.一种权利要求1所述氟硅烷包覆的复合正极材料,其特征在于:复合正极材料为氟硅烷溶于溶剂中形成溶液,将正极材料加入该溶液中混匀后干燥,即得;所述氟硅烷与正极材料的质量比为0.1~5:95~99.9。
9.一种权利要求1所述所述氟硅烷包覆复合正极材料的应用,其特征在于:所述氟硅烷包覆的复合正极材料在锂离子电池、固态锂电池正极中的应用。
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