CN112599745A - 一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，且公开了一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，二维层状形貌的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2纳米片具有超高的比表面积，电化学脱锂、嵌锂的位点丰富，尿素的水解释放出氢氧根和碳酸根，与钴离子和镍离子相互作用，形成纳米针状结构，并且通过奥斯瓦尔德熟化过程，纳米针自组装形成纳米海胆状结构，形成纳米海胆状双金属碳酸盐氢氧化物前驱体，在高温热处理生成NiCo2O4的过程中，释放出二氧化碳和水蒸气，形成空心和介孔结构，得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片，NiCo2O4包覆作用有利于降低LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的容量衰减，提高正极材料的倍率性能，促进电子和锂离子的扩散和传输，降低电极的极化作用。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料及其制法。
背景技术
锂离子电池是一种应用广泛的绿色充电电池，主要是通过锂离子在正极和负极之间移动来工作，具有能量密度大，平均输出电压高、工作温度范围宽、无记忆效应、循环性能稳定、充放电快速等优点，在便携式电子产品和电动汽车领域具有重要的应用，锂离子电池主要包括正极材料、负极材料、隔膜等组成，而正极材料的比重最大，对锂离子电池的性能影响也最大，因此改善正极材料的电化学性能，是提高锂离子电池综合性能的有效途径。
目前的锂离子电池正极材料主要有过渡金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂等；聚阴离子化合物如氟硫酸铁锂、磷酸铁锂等；其中镍钴铝酸锂LiNi0.8Co0.15Al0.05O2具有较高的比容量，是一种极具发展潜力的锂离子电池正极材料，因此进一步提升LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料的实际比容量和倍率性能，降低其容量衰减，以满足工业发展的需求。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料及其制法，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的具有优异的实际比容量和倍率性能。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，所述多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，加热至180-200℃，反应20-40min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，匀速搅拌1-2h，加热至100-120℃，静置10-15h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至480-520℃，热处理4-6h，然后升温至720-760℃，保温煅烧8-12h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，搅拌1-2h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至110-130℃，反应5-8h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至420-480℃，保温热处理2-3h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料。
优选的，所述步骤(1)中的氯化镍、氯化钴和尿素的物质的量比为530-535:100:7200-7800。
优选的，所述步骤(1)中的微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶。
优选的，所述步骤(2)中的氯化铝、镍钴氢氧化物纳米片、氢氧化锂的质量比为10:82-85:23-26。
优选的，所述步骤(3)中的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴、硝酸镍和尿素的质量比为100:2-3.2:0.6-1:20-30。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，通过微波反应，分别以氯化钴和氯化镍作为钴源和镍源，尿素水解产生的氢氧根作用下，制备得到纳米片状镍钴氢氧化物前驱体，进一步与氯化铝和氢氧化锂反应，得到具有二维层状形貌的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2纳米片结构，具有超高的比表面积，电化学脱锂、嵌锂的位点丰富。
该一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，在高温水热过程中，尿素的水解释放出氢氧根和碳酸根，与钴离子和镍离子相互作用，形成纳米针状结构，并且通过奥斯瓦尔德熟化过程，纳米针自组装形成纳米海胆状结构，形成纳米海胆状双金属碳酸盐氢氧化物前驱体，进一步通过高温热处理，在生成NiCo2O4的过程中，前驱体释放出二氧化碳和水蒸气，形成空心和介孔结构，从而形成海胆状多孔空心NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片，NiCo2O4包覆作用有利于降低LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的容量衰减，提高正极材料的倍率性能，同时NiCo2O4具有良好的电子导电率和离子扩散系数，独特的海胆状多孔空心结构可以促进电子的迁移，缩短锂离子的传输路径，加速锂离子的扩散，从而降低电极的极化作用，使多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料具有优异的实际比容量和倍率性能。
附图说明
图1是微波反应装置正面示意图；
图2是载物盘俯视。
1-微波反应装置；2-微波发射器；3-电机；4-旋转棒；5-旋转导轮；6-转动轮齿；7-载物盘；8-反应瓶。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、物质的量比为530-535:100:7200-7800的氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶，加热至180-200℃，反应20-40min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，三者质量比为10:82-85:23-26，匀速搅拌1-2h，加热至100-120℃，静置10-15h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至480-520℃，热处理4-6h，然后升温至720-760℃，保温煅烧8-12h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，四者质量比为100:2-3.2:0.6-1:20-30，搅拌1-2h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至110-130℃，反应5-8h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至420-480℃，保温热处理2-3h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料。
实施例1
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、物质的量比为530:100:7200的氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶，加热至180℃，反应20min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，三者质量比为10:82:23，匀速搅拌1h，加热至100℃，静置10h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至480℃，热处理4h，然后升温至720℃，保温煅烧8h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，四者质量比为100:2:0.6:20，搅拌1h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至110℃，反应5h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至420℃，保温热处理2h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料1。
实施例2
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、物质的量比为531:100:7400的氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶，加热至190℃，反应40min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，三者质量比为10:83:24，匀速搅拌2h，加热至110℃，静置12h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至500℃，热处理6h，然后升温至760℃，保温煅烧8h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，四者质量比为100:2.4:0.7:23，搅拌1.5h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至130℃，反应8h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至450℃，保温热处理3h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料2。
实施例3
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、物质的量比为533:100:7600的氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶，加热至190℃，反应30min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，三者质量比为10:84:25，匀速搅拌1.5h，加热至110℃，静置12h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至500℃，热处理5h，然后升温至740℃，保温煅烧10h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，四者质量比为100:2.8:0.85:27，搅拌1.5h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至120℃，反应6h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至450℃，保温热处理2.5h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料3。
实施例4
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、物质的量比为535:100:7800的氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶，加热至200℃，反应40min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，三者质量比为10:85:26，匀速搅拌2h，加热至120℃，静置15h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至520℃，热处理6h，然后升温至760℃，保温煅烧12h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，四者质量比为100:3.2:1:30，搅拌2h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至130℃，反应8h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至480℃，保温热处理3h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料4。
对比例1
(1)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、物质的量比为528:100:7000的氯化镍、氯化钴和尿素，搅拌溶解后加入乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶，加热至180℃，反应40min，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到镍钴氢氧化物纳米片。
(2)向反应瓶中加入乙醇溶剂、氯化铝和镍钴氢氧化物纳米片，搅拌均匀后加入氢氧化锂，三者质量比为10:80:22，匀速搅拌2h，加热至120℃，静置10h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至520℃，热处理4h，然后升温至760℃，保温煅烧8h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，四者质量比为100:1.6:0.5:16，搅拌2h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至110℃，反应8h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，固体混合产物置于马弗炉中，升温至420℃，保温热处理3h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片。
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料对比1。
分别以实施例和对比例中多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料作为工作正极，以锂片作为工作负极，1mol/L的LiPF6+碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸二乙酯溶液作为电解液，Celgard2400膜作为隔膜，在氩气手套箱中组装成CR2025扣式电池，在CT2001A蓝电电池测试系统在进行电化学性能测试，测试标准为GB/T 34131-2017。
Claims (5)
1.一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，其特征在于：所述多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向蒸馏水溶剂中加入氯化镍、氯化钴、尿素和乙二醇溶剂，置于微波反应装置中，加热至180-200℃，反应20-40min，制备得到镍钴氢氧化物纳米片；
(2)向乙醇溶剂中加入氯化铝、镍钴氢氧化物纳米片和氢氧化锂，匀速搅拌1-2h，加热至100-120℃，静置10-15h，将固体混合产物置于马弗炉中，升温至480-520℃，热处理4-6h，然后升温至720-760℃，保温煅烧8-12h，制备得到LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片；
(3)向蒸馏水溶剂中加入LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴和硝酸镍，超声分散均匀后加入尿素，搅拌1-2h，将溶液转移进水热反应釜中，加热至110-130℃，反应5-8h，固体混合产物置于马弗炉中，升温至420-480℃，保温热处理2-3h，制备得到多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片；
(4)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入多孔NiCo2O4包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、导电炭黑和聚偏氟乙烯，质量比为8:1:1，搅拌均匀形成浆料，将浆料涂在铝箔表面，进行干燥、冲片机剪裁、压片机冲压，制备得到多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的锂离子电池正极材料。
2.根据权利要求1所述的一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，其特征在于：所述步骤(1)中的氯化镍、氯化钴和尿素的物质的量比为530-535:100:7200-7800。
3.根据权利要求1所述的一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，其特征在于：所述步骤(1)中的微波反应装置包括微波发射器，微波反应装置内部下方固定连接有电机，电机活动连接有旋转棒，旋转棒上方固定连接有旋转导轮，旋转导轮活动连接有转动轮齿，转动轮齿固定连接有载物盘，载物盘上方设置有反应瓶。
4.根据权利要求1所述的一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，其特征在于：所述步骤(2)中的氯化铝、镍钴氢氧化物纳米片、氢氧化锂的质量比为10:82-85:23-26。
5.根据权利要求1所述的一种多孔NiCo2O4包覆镍钴铝酸锂的正极材料，其特征在于：所述步骤(3)中的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2层状纳米片、硝酸钴、硝酸镍和尿素的质量比为100:2-3.2:0.6-1:20-30。
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Effective date of registration: 20240510 Address after: No. 153 Furong Street, Mawang Township, Nanbu County, Nanchong City, Sichuan Province, 637300 Patentee after: Zhou Renchao Country or region after: China Address before: 518000 Room 101, building 3, HONGPAI Industrial Zone, Qiaotou community, Fuhai street, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong Patentee before: Laiqioh Internet technology (Shenzhen) Co.,Ltd. Country or region before: China |
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