CN112563505B - 一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料及其制备方法，包括以下步骤：S1、将含有Si－O基团的有机物均匀分散于有机溶剂中，得到混合溶液；S2、将高镍正极材料加入混合溶液中，搅拌后升温蒸干即得。本发明通过将含有Si－O基团的有机物包覆在高镍正极材料颗粒表面，Si－O基团可与电解液中具有强腐蚀性的HF发生反应，并将其吸附掉，进而抑制电解液对正极颗粒的侵蚀，提高了高镍正极材料的抗HF侵蚀性能，改善了材料的循环稳定性。本发明的制备方法简单，原料易得，通过一步法就能得到所需正极材料，易于实现工业化利用。

Description

一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，特别涉及一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，发展迅猛的新能源汽车带动了动力锂离子电池行业的快速发展，不断提升锂离子电池的性能以提高电动汽车的续航里程、安全性成为当前的重点。开发具备高比容量的正极材料是提高锂离子电池能量密度的关键，其中高镍正极材料因其具备超过200mAh/g的容量，成为当前高性能动力锂离子电池的最佳正极材料。但考虑到目前商用的电解液主要是电解质为LiPF6的酯类电解液，因此这类材料在实际使用的过程中会面临着一个严重的问题，那就是容易遭受电解液中HF的侵蚀，导致过渡金属离子被溶解，而使材料结构遭到破坏，加速材料性能的衰退，因此采取合适的调控手段来提高这些高镍正极材料在循环过程中的抗HF侵蚀性是保证其高容量性能发挥的关键。
中国专利CN111116651A公开了一种含噻吩基的亚磷酸酯化合物及其应用，并具体公开了：将所述含噻吩基的亚磷酸酯化合物用于制备锂离子电池电解液，该化合物中的噻吩基具有在正极聚合成膜的特点，三价态P可以跟电池中的O2和HF反应在正极形成CEI膜，而且形成的聚合物膜含P元素有利于电池的低温性能。含S元素有利于电池的高温性能和低温性能，能够稳定电极结构，抑制过渡金属的溶出，降低正极与电解液界面的副反应，提高电池的电化学性能和安全性能。该专利技术中的含噻吩基的亚磷酸酯化合物制备过程依然较复杂，需要特定制备，并且该含噻吩基的亚磷酸酯化合物直接应用于电解液中，其受电解液的性能影响较大，其作用于锂离子电池的正极时，显然不能充分发挥其作用，因此，并不是最优的技术方案。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对目前现有技术所存在的问题，提供一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料及其制备方法，本发明通过利用具备Si－O基团的有机物对高镍正极材料进行改性处理，在其表面均匀包覆一层有机物保护膜，避免了电解液性能的影响，获得的保护膜在LiPF6基电解液中可吸附电解液中的HF，降低其对高镍正极材料的侵蚀，由此提高了高镍正极材料对HF的抗侵蚀性以及循环稳定性。
本发明采用的技术方案如下：一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将含有Si－O基团的有机物均匀分散于有机溶剂中，得到混合溶液；
S2、将高镍正极材料加入混合溶液中，在25－50℃条件下机械搅拌60－300min，然后升温至40－80℃将有机溶剂蒸干，即得到抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料。
在本发明的方法中，将含有Si－O基团的有机物包覆在高镍正极材料颗粒表面，Si－O基团可与电解液中具有强腐蚀性的HF发生反应，并将其吸附掉，进而抑制电解液对正极颗粒的侵蚀，提高了高镍正极材料的抗HF侵蚀性能，改善了材料的循环稳定性。该制备方法无需通过电解液本身来实现抗腐蚀、抗过渡金属溶出等性能，其直接作用于正极材料，制备方法简单，原料易得，通过一步法就能得到所需正极材料，易于实现工业化利用。
在本发明中，所述含有Si－O基团的有机物选自硅氧烷类有机物中的一种或几种。作为优选，所述含有Si－O基团的有机物优选为氨丙基三乙氧基硅烷。
进一步，所述含有Si－O基团的有机物与有机溶剂的质量比为1：1000－10000，优选为1：1000－5000，具体质量比根据种类的不同以及搭配的有机溶剂不同而具体选择。
在本发明中，所述有机溶剂选自N，N－二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、甲苯或丙酮中的一种或几种，优选为N，N－二甲基甲酰胺。
在本发明中，所述高镍正极材料的化学式为LiNixCoyMnzO2，其中，0.6≤x＜1，x+y+z＝1。
进一步，所述高镍正极材料与含有Si－O基团的有机物的质量比为1：10－1000，优选为1：20－200，更优选为1：100，具体质量比根据所选的含有Si－O基团的有机物种类不同而具体选择。
本发明还包括一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料，所述高镍正极材料由上述的制备方法制备得到。该高镍正极材料与现有高镍正极材料相比，在抗HF侵蚀性能和循环稳定性能上具有明显优势。
进一步，本发明还包括一种锂离子电池，所述锂离子电池采用上述高镍正极材料制备得到。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明通过将含有Si－O基团的有机物包覆在高镍正极材料颗粒表面，Si－O基团可与电解液中具有强腐蚀性的HF发生反应，并将其吸附掉，进而抑制电解液对正极颗粒的侵蚀，提高了高镍正极材料的抗HF侵蚀性能，改善了材料的循环稳定性。该制备方法无需通过电解液本身来实现抗腐蚀、抗过渡金属溶出等性能，其直接作用于正极材料，制备方法简单，原料易得，通过一步法就能得到所需正极材料，易于实现工业化利用。
附图说明
图1是实施例及对比例中高镍正极材料的X射线衍射(XRD)图；
图2是实施例及对比例所制备的高镍正极材料在LiPF6基碳酸酯类电解液中浸泡后的Ni的溶解量图；
图3是实施例及对比例所制备的高镍正极材料的循环性能图；
图4是实施例2所制备的高镍正极材料的扫描电子显微镜(SEM)图；
图5是对比例所制备的高镍正极材料的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。另外，在本文中能所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应该理解为包含接近这些范围或值的值。对数数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多盒新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
以下实施例及对比例中，所用到的材料表征分析方法如下：
X射线衍射(XRD)测试：X射线衍射仪，仪器型号：Rigaku UltimaIV－185，日本。
扫描电子显微镜(SEM)测试：扫描电子显微镜，仪器型号：FEI Quanta，荷兰。
电感耦合等离子体质谱(ICP－MS)测试：电感耦合等离子体质谱，仪器型号：Agilent 7800ce，美国。
CR2025钮扣电池的组装及测试：将高镍正极材料(实施例制备得到的终产物)、乙炔黑、聚偏氟乙烯(PVDF)按照8：1：1的质量比制成浆料并涂覆在铝箔上，用裁片机将烘干的负载浆料的铝箔裁成直径约为1cm的小圆片用作正极，以金属锂片作为负极、Celgard2500为隔膜、1M的碳酸酯溶液为电解液(其中，溶剂是体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，溶质为LiPF6)，在氩气氛围手套箱内组装成CR2025纽扣电池。采用LANDCT2001A测试仪(武汉市蓝电电子有限公司)对组装的电池进行电化学性能测试，测试温度25℃，测试电压范围2.8－4.35V，测试过程中在0.2C(1C＝190mAh/g)下进行充放电。
对比例
将2g高镍正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2直接加入100mL的N，N－二甲基甲酰胺溶剂中，在40℃条件下机械搅拌300min，而后升温至至70℃将溶剂蒸干，得到高镍正极材料对比样。
所述材料的XRD图谱(图1)显示I(003)/I(104)为1.52，具有良好的层状结构，SEM图(图5)显示所述材料表面光滑，无保护层，直接暴露于电解液中，因此循环稳定性较差，图3所示所述材料在0.2C倍率下，于2.8－4.35V电压区间内循环40周后容量保持率仅为87.2％。
实施例1
一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将0.01g氨丙基三乙氧基硅烷在室温下通过机械搅拌均匀分散在100mL的N，N－二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌时间为300min，得到混合溶液；
S2、将2g高镍正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2加入到混合溶液中，在40℃条件下机械搅拌300min，而后升温至70℃将有机溶剂蒸干，得到一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料。
所述材料的XRD图谱(图1)显示材料依然保持着良好的层状结构。图2显示所述材料在LiPF6基碳酸酯类电解液中浸泡后Ni的溶解量要低于对比例，说明该种处理方式可以有效提高材料的抗HF侵蚀性能。图3所示所述材料在0.2C倍率下，于2.8－4.35V电压区间内循环40周后容量保持率提高到90.3％。
实施例2
一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将0.02g氨丙基三乙氧基硅烷在室温下通过机械搅拌均匀分散在100mL的N，N－二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌时间为300min，得到混合溶液；
S2、将2g高镍正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2加入到混合溶液中，在40℃条件下机械搅拌300min，而后升温至70℃将有机溶剂蒸干，得到一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料。
所述材料的XRD图谱(图1)显示材料依然保持着良好的层状结构。图2显示所述材料在LiPF6基碳酸酯类电解液中浸泡后Ni的溶解量要明显低于对比例，说明增加有机物的包覆量可以显著提高材料的抗HF侵蚀性能。同时图4显示经包覆后颗粒表面变粗糙，颗粒之间的缝隙被填充。图3所示所述材料在0.2C倍率下，于2.8－4.35V电压区间内循环40周后容量保持率提高到93.7％。
实施例3
一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将0.02g氨丙基三乙氧基硅烷在室温下通过机械搅拌均匀分散在100mL的丙酮溶剂中，搅拌时间为300min，得到混合溶液；
S2、将2g高镍正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2加入到混合溶液中，在25℃条件下机械搅拌300min，而后升温至40℃将有机溶剂蒸干，得到一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料。
所述材料的XRD图谱(图1)显示材料依然保持着良好的层状结构。图2显示所述材料在LiPF6基碳酸酯类电解液中浸泡后Ni的溶解量要低于对比例，与实施例2接近，说明将N，N－二甲基甲酰胺溶剂更换成丙酮溶剂不会影响上述效果。图3所示所述材料在0.2C倍率下，于2.8－4.35V电压区间内循环40周后容量保持率提高到96.2％。
实施例4
一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将0.02g二甲基硅氧烷在室温下通过机械搅拌均匀分散在100mL的N，N－二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌时间为300min，得到混合溶液；
S2、将2g高镍正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2加入到混合溶液中，在40℃条件下机械搅拌300min，而后升温至70℃将有机溶剂蒸干，得到一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料。
所述材料的XRD图谱(图1)显示材料依然保持着良好的层状结构。图2显示所述材料在LiPF6基碳酸酯类电解液中浸泡后Ni的溶解量要低于对比例，但高于实施例2和3，这主要是由于所采用的二甲基硅氧烷中的Si－O功能基团的量低于实施例2和3中的氨丙基三乙氧基硅烷，降低了对LiPF6基碳酸酯类电解液中HF的吸附作用，因此所述正极材料的循环稳定性能的提升不及实施例3，在0.2C倍率下，于2.8－4.35V电压区间内循环40周后容量保持率提高到91.1％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将含有Si-O基团的有机物均匀分散于有机溶剂中，得到混合溶液；所述含有Si-O基团的有机物选自硅氧烷类有机物中的一种或几种；
S2、将高镍正极材料加入混合溶液中，在25-50℃条件下机械搅拌60-300min，然后升温至40-80℃将有机溶剂蒸干，即得到抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料。
2.如权利要求1所述的抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述含有Si-O基团的有机物为氨丙基三乙氧基硅烷。
3.如权利要求2所述的抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述含有Si-O基团的有机物与有机溶剂的质量比为1:1000-10000。
4.如权利要求3所述的抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、甲苯或丙酮中的一种或几种。
5.如权利要求4所述的抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述高镍正极材料的化学式为LiNixCoyMnzO2，其中，0.6≤x<1，x+y+z＝1。
6.如权利要求5所述的抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述高镍正极材料与含有Si-O基团的有机物的质量比为1:10-1000。
7.如权利要求6所述的抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，所述高镍正极材料与含有Si-O基团的有机物的质量比为1:20-200。
8.一种抗LiPF6基电解液中HF侵蚀的高镍正极材料，其特征在于，所述高镍正极材料由上述权利要求1-7任意一项所述的制备方法制备得到。
9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池采用权利要求8所述的高镍正极材料制备得到。
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