CN112537802B - 一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂电池前驱体制备技术领域,特别涉及一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法。本发明反应初期在较高pH值(11.5~12.5)下形成大量的氢氧化钴晶核,然后在适宜的温度(40~60℃)和pH值(10.0~11.0)下,掺杂元素离子、钴离子与氢氧化钠发生共沉淀反应,得到单一相的掺杂氢氧化钴固溶体Co1‑xMx(OH)2;通过添加氨水作为络合剂和沉降抽上清液控制反应体系的固含量,使晶核缓慢生长,最终形成致密、大小均匀的大粒径球形颗粒。所制得的掺杂前驱体制备成钴酸锂在4.5V以上电压下具有高比容量和优秀的循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池前驱体制备技术领域,特别涉及一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法。
背景技术
四氧化三钴是钴酸锂(LCO)的关键前驱体,终端主要应用于手机、笔记本电脑和无人机等电池,大屏智能手机的发展对LCO的能量密度提出了更高要求。提高充电截止电压能有效的提高能量密度,但LCO在高电压下结构容易坍塌,造成循环性能剧烈下降。Al+3半径与Co+3相近,但是键能更强,能明显增强LCO的晶格稳定性,从而提升高电压循环性能。传统固相法掺杂是以四氧化三钴、含掺杂元素物质和碳酸锂为原料,通过固相混合和高温煅烧制备掺杂LCO,存在掺杂元素在LCO中分布不均匀的问题,尤其是铝元素分布不均匀导致LCO循环性能差。
现在主流的工艺是通过湿法掺杂,预先制得掺铝四氧化三钴,然后再烧制掺杂钴酸锂。目前已经开发出4.48V高电压LCO用掺铝(0.6~0.9%)四氧化三钴。但是Al+3为电化学惰性,掺铝量过多会造成容量严重损失;因此开发4.5V及以上更高电压锂电前驱体不能只一味的提高掺铝量。Ni离子为+2价,充电过程中经历+3和+4价,存在两个放电平台,能有效提高LCO容量,Mn+4具有结构稳定性,与Ni+2协同作用能在不损失容量的前提下提升LCO高电压循环性能,是4.5V高电压产品的重要研究方向。近两年掺杂四氧化三钴取得了一些进展。如专利CN 105731551 A提供了一种掺杂碳酸钴和掺杂四氧化三钴制备方法,其实质是在四氧化三钴表面包覆一层金属醇盐(Mg、Al和Ti醇盐中的至少一种),而内部无掺杂元素。以包覆方式掺杂的四氧化三钴来制备高电压钴酸锂,会形成内部无掺杂元素的钴酸锂,在高电压下内部晶体结构容易坍塌,导致容量衰减较快。同理,掺杂不均匀也会对钴酸锂在高电压下的循环性能带来不利影响。专利CN 101279771 A公布了一种掺杂四氧化三钴的制备方法:将掺杂元素(Mg、Al、Ti中的一种或两种以上的混合)与硝酸钴配成混合溶液,以氨水+氢氧化钠为混合沉淀剂,合成掺杂氢氧化钴,再经高温500~800℃煅烧得到掺杂四氧化三钴。该法缺点是所得四氧化三钴球形度差、比表面小、高温煅烧能耗高。
多元掺杂湿法合成存在的突出问题是:1、采用碳酸钴体系湿法掺杂,部分元素如Mg和Ni等沉淀不完全,沉淀后液中Ni含量达到0.4g/L,Mg含量达到0.2g/L,且依合成条件不同,沉淀率差异大;因此难于控制合成产物的计量比;2、采用氢氧化钴体系,沉淀较完全,但形貌和粒度难控制;3、采用羟基钴体系,粒径达到15μm后易爆发大量的细小粒子,颗粒难于长大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种4.5V及以上高电压钴酸锂用多元素掺杂氢氧化钴的制备方法,该方法制备的氢氧化钴掺杂元素沉淀较完全,合成产物的掺杂量精准可控,形貌和粒度可控,可直接用于制备4.5V及以上高电压钴酸锂。
为了达到上述目的,本发明的一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,具备包括如下步骤:
步骤一:多元掺杂氢氧化钴合成
1、将掺杂元素铝、镍、锰、镁的可溶性盐加入钴盐溶液中,配置成相应掺杂量的混合金属盐溶液;
2、向反应釜注入氨水作为底液,用氢氧化钠溶液调pH值为11.5~12.5,升温至40~60℃,在搅拌转速500~600rpm下将混合金属盐溶液、氨水和氢氧化钠溶液同时加入反应釜中发生沉淀反应,加料过程控制反应溶液pH值在10.0~11.0范围内;为防止氢氧化钴被氧化,反应过程中通入氮气进行保护;当物料达到反应釜85%的体积后晶种制备完成;
3、停止加料,关闭搅拌,待固液分层后,将上清液抽走,腾出空间继续加料,使晶种继续生长,重复加料、静置分层、抽上清液、继续加料的循环过程,直至物料生长到粒径为18~25μm,合成完毕;
步骤二:掺杂氢氧化钴洗涤
将步骤一制得的掺杂氢氧化钴浆料进行脱水,然后用纯水洗涤掺杂氢氧化钴,去除相应的阴离子;
步骤三:掺杂氢氧化钴干燥
将步骤二洗涤后掺杂氢氧化钴进行低温干燥,除去自由水分,最终得到大粒径球形多元掺杂氢氧化钴。
作为优选,所述的钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的一种或几种的混合物,铝、镁、镍、锰盐为对应的可溶性金属盐,混合金属盐溶液的浓度为80~150g/L。
作为优选,所述的氢氧化钠溶液浓度为160~400g/L,氨水浓度为8~34g/L。
作为优选,所述的掺杂氢氧化钴的干燥温度为60~90℃、干燥时间为2~16h。
作为优选,所述的氮气通入量为10~40L/h。
作为优选,所得掺杂氢氧化钴中铝的掺入量为1000~10000PPM,镍的掺入量为1000~20000PPM,锰的掺入量为1000~20000PPM,镁的掺入量为1000~5000PPM。
以硫酸钴为例,本发明掺杂氢氧化钴共沉淀反应原理如下:
(1-x)CoSO4+x MSO4+2NaOH→Co1-xMx(OH)2↓+Na2SO4
反应初期在较高pH值(11.5~12.5)下形成大量的氢氧化钴晶核,然后在适宜的温度(40~60℃)和pH值(10.0~11.0)下,掺杂元素离子、钴离子与氢氧化钠发生共沉淀反应,得到单一相的掺杂氢氧化钴固溶体Co1-xMx(OH)2;通过添加氨水作为络合剂和沉降抽上清液控制反应体系的固含量,使晶核缓慢生长,最终形成致密、大小均匀的大粒径球形颗粒。
本发明采用氢氧化钴体系,液相合成的产物主体相是氢氧化钴,分子式为Co(OH)2,钴为二价,外观颜色是粉红色或砖红色,反应过程需要通保护气防止二价钴被氧化,得到大粒径球形氢氧化钴;同时沉淀完全,沉淀后液中的Ni含量小于0.03g/L,Mg含量小于0.001g/L;形貌和粒度可控,合成产物的掺杂量精准可控,控制精度±200ppm。对比采用羟基钴体系,反应过程需要通空气将二价钴氧化成三价,合成的产物主体相是羟基钴,分子式为CoOOH,钴为三价,外观颜色是黑色;羟基钴工艺适合做小粒径产品,形貌致密,球形度较好;但该工艺做大粒径产品时,粒径达到15μm后易爆发大量的细小粒子,颗粒难于长大,导致颗粒大小不均一。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)所掺元素能均匀分布在前驱体里,球形度好,粒径达18μm以上,粒度分布均匀;
(2)所制得的掺杂前驱体制备成钴酸锂在4.5V以上电压下具有高比容量和优秀的循环性能。
附图说明
图1为本发明实施例1所得掺杂氢氧化钴的SEM图。
图2为本发明实施例1中Ni元素在氢氧化钴的切面EPMA图。
图3为本发明实施例2所得掺杂氢氧化钴的SEM图。
图4为本发明实施例2中Mn元素在氢氧化钴的切面EPMA图。
图5为本发明实施例3所得掺杂氧化钴的SEM图。
具体实施方式
实施例1
1、将硫酸铝、硫酸镍、硫酸锰、硫酸镁溶解到硫酸钴溶液中,配置成钴、铝、镍、锰、镁离子浓度分别为90、0.166、0.153、0.146和0.145g/L的混合金属盐溶液备用。
2、向反应釜注入8g/L的氨水作为底液,加氢氧化钠溶液调pH值为11.5,升温至40℃,在搅拌转速500rpm下将混合金属盐溶液、8g/L的氨水和浓度为160g/L的氢氧化钠溶液同时加入反应釜中发生沉淀反应,加料过程控制反应溶液pH值在10.0,为防止氢氧化钴被氧化,反应过程中通入氮气进行保护;物料达到反应釜85%的体积后晶种制备完成,停止加料,关闭搅拌,待固液分层后,将上清液抽走,腾出空间继续加料,使晶种继续生长,重复加料、静置分层、抽上清液、继续加料的循环过程,直至物料生长到粒径达到24.58μm,加料完毕。
3、掺杂氢氧化钴浆料进行脱水,然后用纯水洗涤掺杂氢氧化钴,去除相应的阴离子SO4 2-;
4、将洗涤后掺杂氢氧化钴进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间16h,得到球形多元掺杂氢氧化钴。
所得掺杂氢氧化钴经检测,理化指标如下:
项目 | Co(%) | Al(%) | Ni(%) | Mn(%) | Mg(%) | D50(μm) |
测试值 | 62.08 | 0.1143 | 0.1021 | 0.1058 | 0.1045 | 24.55 |
该掺杂氢氧化钴的形貌为球形(见图1),切面电子探针分析(EPMA)见附图2,由面扫可看出,Ni元素分布均匀(元素Al、Mn和Mg分布与Ni相似,未列出)。
以掺杂氢氧化钴为前驱体,制备的LCO在4.6V高电压下(扣电池:电压范围3.0~4.6V,倍率为0.2C)首次放电比容量209.7mAh/g,50周循环后容量保持率为93.5%。
实施例2
1、将氯化铝、氯化镍、氯化锰、氯化镁溶解到氯化钴溶液中,配置成钴、铝、镍、锰、镁离子浓度分别为120、0.837、0.836、0.839和0.485g/L的混合金属盐溶液备用。
2、向反应釜注入17g/L的氨水作为底液,加氢氧化钠溶液调pH值为12,升温至50℃,在搅拌转速550rpm下将混合金属盐溶液、17g/L的氨水和浓度为280g/L的氢氧化钠溶液同时加入反应釜中发生沉淀反应,加料过程控制反应溶液pH值在10.5左右,为防止氢氧化钴被氧化,反应过程中通入氮气进行保护;物料达到反应釜85%的体积后晶种制备完成,停止加料,关闭搅拌,待固液分层后,将上清液抽走,腾出空间继续加料,使晶种继续生长,重复加料、静置分层、抽上清液、继续加料的循环过程,直至物料生长到粒径达到21.42μm,加料完毕。
3、将掺杂氢氧化钴浆料进行脱水,然后用纯水洗涤掺杂氢氧化钴,去除相应的阴离子Cl-;
4、将洗涤后掺杂氢氧化钴进行干燥,干燥温度为90℃,干燥时间5h,得到球形多元掺杂氢氧化钴。
所得掺杂氢氧化钴经检测,理化指标如下:
项目 | Co(%) | Al(%) | Ni(%) | Mn(%) | Mg(%) | D50(μm) |
测试值 | 60.52 | 0.4219 | 0.4215 | 0.4233 | 0.2446 | 21.38 |
该掺杂氢氧化钴的形貌为球形(见图3),切面电子探针分析(EPMA)见附图4,由面扫可看出,Mn元素分布均匀(元素Al、Ni和Mg分布与Mn相似,未列出)。
以掺杂氢氧化钴为前驱体,制备的LCO在4.6V高电压下(扣电池:电压范围3.0~4.6V,倍率为0.2C)首次放电比容量为209.3mAh/g,50周循环后容量保持率为94.2%。
实施例3
1、将硝酸铝、硝酸镍、硝酸锰、硝酸镁溶解到氯化钴溶液中,配置成钴、铝、镍、锰、镁离子浓度分别为139.6、1.063、4.176、4.168和0.921g/L的混合金属盐溶液备用。
2、向反应釜注入10g/L的氨水作为底液,加氢氧化钠溶液调pH值为12.5,升温至60℃,在搅拌转速600rpm下将混合金属盐溶液、10g/L的氨水和浓度为400g/L的氢氧化钠溶液同时加入反应釜中发生沉淀反应,加料过程控制反应溶液pH值在11.0左右,为防止氢氧化钴被氧化,反应过程中通入氮气进行保护;物料达到反应釜85%的体积后晶种制备完成,停止加料,关闭搅拌,待固液分层后,将上清液抽走,腾出空间继续加料,使晶种继续生长,重复加料、静置分层、抽上清液、继续加料的循环过程,直至物料生长到粒径达到18.25μm,加料完毕。
3、将掺杂氢氧化钴浆料进行脱水,然后用纯水洗涤掺杂氢氧化钴,去除相应的阴离子NO3-;
4、将洗涤后掺杂氢氧化钴进行干燥,干燥温度为80℃,干燥时间8h,然后将所得掺杂氢氧化钴在推板窑上进行热分解,分解温度为180℃,物料停留时间15h,得到球形多元掺杂氧化钴。
所得掺杂氧化钴经检测,理化指标如下:
项目 | Co(%) | Al(%) | Ni(%) | Mn(%) | Mg(%) | D50(μm) |
测试值 | 66.23 | 0.5123 | 1.981 | 1.987 | 0.4356 | 18.12 |
该掺杂氧化钴的形貌为球形(见图5)。
以掺杂氧化钴为前驱体,制备的LCO在4.6V高电压下(扣电池:电压范围3.0~4.6V,倍率为0.2C)首次放电比容量为208.9mAh/g,50周循环后容量保持率为93.8%。
Claims (6)
1.一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一:多元掺杂氢氧化钴合成
①将掺杂元素铝、镍、锰、镁的可溶性盐加入钴盐溶液中,配置成相应掺杂量的混合金属盐溶液;
②向反应釜注入氨水作为底液,用氢氧化钠溶液调pH值为11.5~12.5,升温至40~60℃,在搅拌转速500~600rpm下将混合金属盐溶液、氨水和氢氧化钠溶液同时加入反应釜中发生沉淀反应,加料过程控制反应溶液pH值在10.0~11.0范围内;为防止氢氧化钴被氧化,反应过程中通入氮气进行保护;当物料达到反应釜85%的体积后晶种制备完成;
③停止加料,关闭搅拌,待固液分层后,将上清液抽走,腾出空间继续加料,使晶种继续生长,重复加料、静置分层、抽上清液、继续加料的循环过程,直至物料生长到粒径为18~25μm,合成完毕;
步骤二:掺杂氢氧化钴洗涤
将步骤一制得的掺杂氢氧化钴浆料进行脱水,然后用纯水洗涤掺杂氢氧化钴,去除相应的阴离子;
步骤三:掺杂氢氧化钴干燥
将步骤二洗涤后掺杂氢氧化钴进行低温干燥,除去自由水分,最终得到大粒径球形多元掺杂氢氧化钴。
2.根据权利要求1所述的一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,其特征在于:所述的钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的一种或几种的混合物,铝、镁、镍、锰盐为对应的可溶性金属盐,混合金属盐溶液的浓度为80~150g/L。
3.根据权利要求1所述的一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,其特征在于:所述的氢氧化钠溶液浓度为160~400g/L,氨水浓度为8~34g/L。
4.根据权利要求1所述的一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,其特征在于:所述的氮气通入量为10~40L/h。
5.根据权利要求1所述的一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,其特征在于:所述的掺杂氢氧化钴的干燥温度为60~90℃、干燥时间为2~16h。
6.根据权利要求1所述的一种高电压锂电池前驱体掺杂氢氧化钴的制备方法,其特征在于:所得掺杂氢氧化钴中铝的掺入量为1000~10000PPM,镍的掺入量为1000~20000PPM,锰的掺入量为1000~20000PPM,镁的掺入量为1000~5000PPM。
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