CN112678884A - 一种高容量高稳定性高镍单晶材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高容量高稳定性高镍单晶材料及其制备方法,包括如下步骤:(1)将前驱体、锂源与添加剂加入混合溶液中,搅拌后得到均匀的混合物;(2)将所述的混合物在氧气气氛中进行多段烧结,得到固体料块;(3)将所述的固体料块进行鄂破、对辊得到物料颗粒,然后进行破碎得到一次烧结过程料;(4)将所述的一次烧结过程料水洗、烘干、过筛,然后与所述的添加剂混合、焙烧后得到所述的高容量高稳定性高镍单晶材料。本发明所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法在电池循环过程中,能够有效保持结构稳定性,有效提高锂离子二次电池的循环性能。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域,尤其是涉及一种高容量高稳定性高镍单晶材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种高效的能量转化器件,在能量密度、循环寿命、工作电压等方面都具有显著优势,因而广泛应用于民用电池领域(如移动设备电源、动力汽车等)以及航空航天和军事领域(如锂电池客机、锂电池潜艇等)。锂电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂等,实际容量分别可以达到150mAh/g、100mAh/g、170mAh/g、200mAh/g左右。其中,层状三元高镍锂过渡金属氧化物LiNi1-xMxO2(M=过渡金属)比容量较高、自放电率较低、成本较低,受到了广泛研究和应用。然而,高镍材料的循环性能较差,在充放电的过程中容易发生材料结构的变形,限制了其在动力电池等领域的应用。
三元材料大多为由一次粒子团聚形成的二次球形颗粒材料,在高电压下,经过多个周期的循环,二次粒子很容易粉化,相反应界面增大,从而产生一系列的副反应,进而影响材料的容量和安全性能。单晶三元材料是一种主要的解决方法。
单晶材料的制备过程包括前驱体和锂源混合、烧结、水洗等流程,烧结反应是其中的关键步骤。但目前在进行烧结反应时容易发生难以充分反应、加热不均匀的现象。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在克服现有技术中的缺陷,提出一种高容量高稳定性高镍单晶材料及其制备方法。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将前驱体、锂源与添加剂加入混合溶液中,搅拌后得到均匀的混合物;
(2)将所述的混合物在氧气气氛中进行多段烧结,得到固体料块;
(3)将所述的固体料块进行鄂破、对辊得到物料颗粒,然后进行破碎得到一次烧结过程料;
(4)将所述的一次烧结过程料水洗、烘干、过筛,然后与所述的添加剂混合、焙烧后得到所述的高容量高稳定性高镍单晶材料;
所述的步骤(2)中的多段烧结步骤的具体步骤为:将所述的混合物置于气体流量为600Nm3/h、氧含量为27-99.99%的气氛中,在反应温度分别为200-300℃、300-400℃、400-500℃、500-600℃与600-700℃的温度段内分步进行焙烧,当温度低于500度时,反应时间为1-3h,当温度高于600度时,反应时间为4-6h,当温度在700-1000℃内选择1个反应温度作为烧结温度,反应10-24h。
进一步,所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量比为1:0.8-1.8:0.002-0.008;所述的步骤(1)中的混合溶液为乙醇与水的组合,乙醇与水的体积比为=0-1:1;所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量之和与混合溶液的质量比为50-80%:1;所述的步骤(1)中的搅拌步骤具体为:搅拌的次数为1-5次,单次搅拌的时间为0.1-3h。
优选的,所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量比为1:1.025:0.005;所述的步骤(1)中的混合溶液为乙醇与水的组合,乙醇与水的体积比为=0.75:1;所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量之和与混合溶液的固液比为80%:1;所述的步骤(1)中的搅拌步骤具体为:搅拌的次数为3次,单次搅拌的时间为0.5h。
进一步,所述的步骤(1)中的前驱体为镍钴锰氢氧化物,分子式为(NixCoyMnzD1-x-y-z)OH,x=80-96mol%,y=1-5mol%,z=1-5mol%,D为铁、钠或镁元素中的至少一种;所述的步骤(1)中的锂源为氢氧化锂或碳酸锂中的至少一种;优选的,所述的x=92mol%,y=4mol%,z=4mol%。
进一步,所述的步骤(1)中的添加剂的掺杂元素为硼、磷、氟、硫、钛或锆中的至少一种;所述的添加剂为金属盐、非金属盐或金属氧化物中的至少一种。
进一步,所述的步骤(2)中的多段烧结步骤的具体步骤为:将所述的混合物置于气体流量为600Nm3/h、氧含量为27-99.99%的气氛中,在反应温度分别为200-300℃、300-400℃、400-500℃、500-600℃与600-700℃的温度段内分步进行焙烧,当温度低于500度时,反应时间为1-3h,当温度高于600度时,反应时间为4-6h,当温度在700-1000℃内选择1个反应温度作为烧结温度,反应10-24h;所述的步骤(2)中的多段烧结步骤中将混合物置于耐高温匣钵中,装填厚度为1-10cm;所述的步骤(2)中的固体料块的粒度为Dv0=0.5-2.0μm,Dv50=2.5-4.0μm,Dv100=6.0-35.0μm。多段烧结步骤可以改善反应程度,提高单晶材料的结晶度。
进一步,所述的步骤(3)中的鄂破步骤采用鄂破机;所述的步骤(4)中的水洗步骤中一次烧结过程料与水的固液比为20-80%:1,时间为1-10min;所述的步骤(4)中的烘干步骤为在惰性气体保护气或真空环境下烘干1-12h;所述的步骤(4)中的过筛步骤的筛网的粒径为200-400目;所述的步骤(4)中的焙烧步骤为在170-350℃下焙烧3-12h;优选的,所述的步骤(4)中的水洗步骤中一次烧结过程料与水的固液比为50%:1,时间为2min;所述的步骤(4)中的烘干步骤为在真空环境下烘干2h;所述的步骤(4)中的焙烧步骤为在300℃下焙烧8h。
一种高容量高稳定性高镍单晶材料,所述的材料由所述的方法制得。
进一步,所述的材料的Dv50=1.5-20.0μm;优选的,所述的材料的Dv50=2.5-5.0μm。
所述的材料为多面体晶型结构。
所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的应用,所述的材料在锂电池中的应用。
相对于现有技术,本发明具有以下优势:
(1)本发明所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法在电池循环过程中,能够有效保持结构稳定性,有效提高锂离子二次电池的循环性能。
(2)本发明所述的高容量高稳定性高镍单晶材料将前驱体、锂源与乙醇及水溶液混合,提高物料的均一度。
(3)和现有技术仅采用一段温度焙烧相比,本发明所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法通过多段焙烧策略,低温下逐渐焙烧可以使锂源与前驱体的结晶水充分脱出,脱出后所残留的空洞便于氧气与物料的充分接触,抑制Ni2+的产生,减少锂镍混排;在高温下的长时间焙烧可以有效提高材料的晶体规整性,单晶结构更加完整,进而提高材料的循环性能。
附图说明
图1为本发明实施例1的粒径分布图;
图2为本发明实施例1所述的循环50周前后的电镜对比图:2-A为循环前,2-B为循环后;
图3为本发明实施例1、对比例1与对比例2的首次放电曲线;
图4为本发明实施例1、对比例1与对比例2的循环性能图。
具体实施方式
除有定义外,以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂,如无特殊说明,均为常规生化试剂;所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2500g Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、1124.23g氢氧化锂与12.43g磷酸钠溶于混合溶液(乙醇:水=0.75,固液比为80%),将得到的固液混合物投入到CMX Kaprocess固液混合机中,搅拌0.5h*3次,得到均匀的混合物;
(2)将所述的混合物置于耐高温匣钵中,装填厚度为4cm,在氧含量为99.99%的气氛中烧结,烧结条件为:在温度为250℃条件下2h,在温度为350℃条件下2h,在温度为450℃条件下3h,在温度为600℃条件下5h,在温度为650℃条件下6h,一烧保温段温度为850℃,反应时间为12h,得到固体料块;
(3)将所述的固体料块在鄂破机上鄂破、对辊得到细小的物料颗粒,然后进行气流破碎得到粒度分布适宜的一次烧结过程料;
(4)将所述的一次烧结过程料水洗,固液比为50%,水洗时间为2min,在真空环境下烘干2h,过325目筛,然后与所述的添加剂混合,在300℃下焙烧8h后得到所述的高容量高稳定性高镍单晶材料。
一种高容量高稳定性高镍单晶材料,所述的材料由所述的方法制得。
实施例2
一种正极材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2500g Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、1124.23g氢氧化锂、12.43g硫化钠溶于乙醇与水的混合溶液(乙醇:水=0.75,固液比为80%)中,混合均匀,得到固液混合物;
(2)将所述的混合物置于耐高温匣钵中,装填厚度为4cm,在氧含量为99.99%的气氛中烧结,烧烧结条件为:在温度为200℃条件下3h,在温度为300℃条件下3h,在温度为400℃条件下3h,在温度为600℃条件下5h,在温度为700℃条件下6h,一烧保温段温度为900℃,反应时间为10h,得到固体料块;
(3)将所述的固体料块在鄂破机上鄂破、对辊得到细小的物料颗粒,然后进行气流破碎得到粒度分布适宜的一次烧结过程料;
(4)将所述的一次烧结过程料水洗,固液比为50%,水洗时间为2min,在真空环境下烘干2h,过325目筛,在300℃下焙烧8h后得到所述的正极材料。
对比例1
一种正极材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2500g Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、1124.23g氢氧化锂与12.43g磷酸钠溶于混合溶液(乙醇:水=0.75,固液比为80%),将得到的固液混合物投入到CMX Kaprocess固液混合机中,搅拌0.5h*3次,得到均匀的混合物;
(2)将所述的混合物置于耐高温匣钵中,装填厚度为4cm,在氧含量为99.99%的气氛中烧结,烧烧结条件为:在温度为850℃的条件下烧结12h,得到固体料块;
(3)将所述的固体料块在鄂破机上鄂破、对辊得到细小的物料颗粒,然后进行气流破碎得到粒度分布适宜的一次烧结过程料;
(4)将所述的一次烧结过程料水洗,固液比为50%,水洗时间为2min,在真空环境下烘干2h,过325目筛,在300℃下焙烧8h后得到所述的正极材料。
对比例2
一种正极材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2500g Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、1124.23g氢氧化锂与12.43g磷酸钠溶于混合溶液(乙醇:水=0.75,固液比为80%),将得到的固液混合物投入到CMX Kaprocess固液混合机中,搅拌0.5h*3次,得到均匀的混合物;
(2)将所述的混合物置于耐高温匣钵中,装填厚度为4cm,在氧含量为99.99%的气氛中烧结,烧结条件为:在温度为250℃条件下2h,在温度为350℃条件下2h,在温度为450℃条件下3h,在温度为600℃条件下5h,在温度为750℃条件下6h,得到固体料块;
(3)将所述的固体料块在鄂破机上鄂破、对辊得到细小的物料颗粒,然后进行气流破碎得到粒度分布适宜的一次烧结过程料;
(4)将所述的一次烧结过程料水洗,固液比为50%,水洗时间为2min,在真空环境下烘干2h,过325目筛,在300℃下焙烧8h后得到所述的正极材料。
电池的测试:
将实施例1、2,对比例1、2制备的正极材料,按照正极材料95%,3%SP(导电剂)和2%PVDF(粘结剂)加入到NMP中,搅拌均匀制备成正极浆料、锂片、电解液(含有EC/PC/DEC溶质的1M LiPF6),隔膜组装成扣式电池。
扣式电池以0.2C电流密度恒流充电至4.25V,然后放电至2.5V为一个循环,来测试材料比容量;以0.5C电流密度恒流充电至4.3V,然后放电至3.0V为一个循环,在45℃条件下循环50个循环后,通过比较首圈放电比容量和第50th的放电比容量来测试材料循环保持率。
分别对实施例1-2和对比例1-2得到的产品进行相关测试。
实验情况:
表1列出了利用实施例1-2和对比例1-2制得的正极材料的比容量以及45℃高温循环下50周的循环保持率。
表1实验结果
首次比容量 | 首效 | 50th容量保持率 | |
实施例1 | 214.4mAh/g | 91.76% | 92.48% |
实施例2 | 211.8mAh/g | 90.56% | 91.27% |
对比例1 | 208.3mAh/g | 87.24% | 85.73% |
对比例2 | 209.3mAh/g | 86.09% | 81.15% |
从表中可以看出,实施例1、实施例2制备的材料都表现出了良好的性能。实施例1中制备的材料比容量达到214.4mAh/g,45℃(高温)循环下的50周循环保持率为92.48%,显著高于现有水平。并且制备出的材料粒度均匀,粒径分布集中,碎粉少,制备出的材料均匀,如图1的粒径分布图所示,并且经过50圈高温循环后,颗粒表面仍然保持光滑,无裂痕,如图2所示,2-A为循环前,2-B为循环后。
由于采用了不同的焙烧制式,对比例1和对比例2的首次比容量和稳定性明显较实施例1差,对比例1没有低温的预焙烧步骤,锂源与前驱体的结晶水未能脱出,物料内部和氧气接触不充分,Ni2+大量生成,锂镍混排严重,Li+嵌入脱出困难,首次比容量低;对比例2没有高温焙烧再结晶步骤,晶型结构差,材料无定型化严重,在循环过程中,Li+的脱出嵌入破坏了材料的晶格,50cycle后容量保持率仅有81.15%,较实施例1明显下降了10个百分点。
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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将前驱体、锂源与添加剂加入混合溶液中,搅拌后得到均匀的混合物;
(2)将所述的混合物在氧气气氛中进行多段烧结,得到固体料块;
(3)将所述的固体料块进行鄂破、对辊得到物料颗粒,然后进行破碎得到一次烧结过程料;
(4)将所述的一次烧结过程料水洗、烘干、过筛,然后与所述的添加剂混合、焙烧后得到所述的高容量高稳定性高镍单晶材料;
所述的步骤(2)中的多段烧结步骤的具体步骤为:将所述的混合物置于气体流量为600Nm3/h、氧含量为27-99.99%的气氛中,在反应温度分别为200-300℃、300-400℃、400-500℃、500-600℃与600-700℃的温度段内分步进行焙烧,当温度低于500度时,反应时间为1-3h,当温度高于600度时,反应时间为4-6h,当温度在700-1000℃内选择1个反应温度作为烧结温度,反应10-24h。
2.根据权利要求1所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量比为1:0.8-1.8:0.002-0.008;所述的步骤(1)中的混合溶液为乙醇与水的组合,乙醇与水的体积比为=0-1:1;所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量之和与混合溶液的质量比为50-80%:1;所述的步骤(1)中的搅拌步骤具体为:搅拌的次数为1-5次,单次搅拌的时间为0.1-3h。
3.根据权利要求2所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量比为1:1.025:0.005;所述的步骤(1)中的混合溶液为乙醇与水的组合,乙醇与水的体积比为=0.75:1;所述的步骤(1)中的前驱体、锂源与添加剂的质量之和与混合溶液的固液比为80%:1;所述的步骤(1)中的搅拌步骤具体为:搅拌的次数为3次,单次搅拌的时间为0.5h。
4.根据权利要求1所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:所述的步骤(1)中的前驱体为镍钴锰氢氧化物,分子式为(NixCoyMnzD1-x-y-z)OH,x=80-96mol%,y=1-5mol%,z=1-5mol%,D为铁、钠或镁元素中的至少一种;所述的步骤(1)中的锂源为氢氧化锂或碳酸锂中的至少一种;优选的,所述的x=92mol%,y=4mol%,z=4mol%。
5.根据权利要求1所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:所述的步骤(1)中的添加剂的掺杂元素为硼、磷、氟、硫、钛或锆中的至少一种;所述的添加剂为磷酸盐、硫酸盐、硫化物、氧化物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:所述的步骤(2)中的多段烧结步骤中将混合物置于耐高温匣钵中,装填厚度为1-10cm;所述的步骤(2)中的固体料块的粒度为Dv0=0.5-2.0μm,Dv50=2.5-4.0μm,Dv100=6.0-35.0μm。
7.根据权利要求1所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的制备方法,其特征在于:所述的步骤(3)中的鄂破步骤采用鄂破机;所述的步骤(4)中的水洗步骤中一次烧结过程料与水的固液比为20-80%:1,时间为1-10min;所述的步骤(4)中的烘干步骤为在惰性气体保护气或真空环境下烘干1-12h;所述的步骤(4)中的过筛步骤的筛网的粒径为200-400目;所述的步骤(4)中的焙烧步骤为在170-350℃下焙烧3-12h;优选的,所述的步骤(4)中的水洗步骤中一次烧结过程料与水的固液比为50%:1,时间为2min;所述的步骤(4)中的烘干步骤为在真空环境下烘干2h;所述的步骤(4)中的焙烧步骤为在300℃下焙烧8h。
8.一种高容量高稳定性高镍单晶材料,其特征在于:所述的材料由权利要求1-7中任一项所述的方法制得。
9.根据权利要求8所述的高容量高稳定性高镍单晶材料,其特征在于:所述的材料的Dv50=1.5-20.0μm;优选的,所述的材料的Dv50=2.5-5.0μm。
10.权利要求8或9中所述的高容量高稳定性高镍单晶材料的应用,其特征在于:所述的材料在锂电池中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210420 |
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