发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种倍率性能较为优异的钨钼复合包覆三元正极材料及其制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种钨钼复合包覆三元正极材料,是以镍钴铝三元材料或镍钴锰三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,所述钨钼复合氧化物与所述镍钴铝三元材料中镍钴铝总量之间的摩尔比为0.01%-0.2%;或者所述钨钼复合氧化物与所述镍钴锰三元材料中镍钴锰总量之间的摩尔比为0.01%-0.2%。
上述的钨钼复合包覆三元正极材料,优选的,所述基体的化学式为LiaNibCocMdM′eO2,所述钨钼复合氧化物的化学式为WzMo1-zO3,其中,M为Al或Mn,M′为掺杂元素,且a、b、c、d、e、z的取值满足以下要求:0.9≤a≤1.2,0.7≤b<1,0<c≤0.2,0<d≤0.1,0≤e≤0.1,0.4≤z≤0.8。
上述的钨钼复合包覆三元正极材料,优选的,0.5≤z≤0.6。
上述的钨钼复合包覆三元正极材料,优选的,掺杂元素M′选自Mn、Mg、Ti、Zr、Ba、W、Mo、Y、Sr、V、Nd、Al、Co或Ce中的一种或多种。
作为一个总的发明构思,本发明还提供一种上述的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)对所述基体进行洗涤,干燥;
(2)将钨化合物和钼化合物混合均匀,加入双氧水溶液和去离子水进行水热反应,得到钨钼复合包覆材料;
(3)将步骤(1)干燥后的基体与步骤(2)获得的钨钼复合包覆材料按照计量比,通过干混进行初步包覆;
当上述基体为镍钴锰三元材料时,钨钼复合包覆材料的加入量控制为基体中镍钴锰总摩尔数的0.01-0.2%;
当上述基体为镍钴铝三元材料时,钨钼复合包覆材料的加入量控制为基体中镍钴铝总摩尔数的0.01-0.2%;
(4)将步骤(3)中获得的初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中烧结,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
上述的制备方法,优选的,步骤(2)中,水热反应的温度为110-170℃,反应时间为18-24h,反应完成后对反应产物进行过滤、干燥。
上述的制备方法,优选的,步骤(3)中,所述钨化合物选自二氧化钨、三氧化钨、钨酸铵、偏钨酸铵、钨酸、氯化钨或磷钨酸铵中的一种或多种,更优选的,所述钨化合物为正交相三氧化钼(α-MoO3);所述钼化合物选自二氧化钼、三氧化钼、钼酸、硫化钼、钼酸铵、磷酸钼、醋酸钼、硫酸钼或钼酸钾中的一种或多种;所述钨化合物中钨元素和所述钼化合物中钼元素之间的摩尔比为(2:3)-(4:1)。进一步优选的,所述钨化合物中钨元素和所述钼化合物中钼元素之间的摩尔比为(1:1)-(3:2)。
氧化钨具有较好Li+嵌入扩散速率,但是Li+脱嵌扩散速率较差,而α-MoO3加热至250℃以上,材料的结构又会向β-构型转变,也会导致材料的Li+嵌入和脱嵌扩散速率迅速下降。本发明通过水热反应将钨化合物和钼化合物制备成粒度较为均匀细小、晶粒发育完整的复合物,进一步的,还利用了钨钼同族的优势,并按照特定比例混合进行反应,反应后形成了较为均一稳定的钨钼复合氧化物,该钨钼复合氧化物包覆层在经过高温烧结处理后仍可保持稳定,钨钼之间具有协同效应,有助于Li+的迁移扩散。
上述的制备方法,优选的,步骤(2)中,以钨化合物和钼化合物的总量计,每毫摩尔钨化合物和钼化合物对应加入15-25mL的30wt%双氧水和15-25mL的去离子水。
上述的制备方法,优选的,步骤(1)中,对基体进行洗涤的溶剂为乙醇、甲醇或去离子水。
上述的制备方法,优选的,步骤(4)中,烧结时控制温度为300-800℃,时间为3-20h。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明通过将含钨化合物和含钼化合物按照一定比例混合进行水热反应,最终得到钨钼复合物,该钨钼复合物与三元材料混合烧结,最终在三元材料表面形成包覆层。该包覆层不仅可以减少锂离子电池正极材料与电解液接触,提高容量保持率,更重要的是,通过控制钨化合物中钨元素和钼化合物中钼元素之间的摩尔比,使得钨钼复合氧化物WzMo1-zO3中0.4≤z≤0.8,并反应得到了均匀细小、晶粒发育完整的复合物包覆层,该包覆层经过高温烧结以后仍可保持稳定,并持续作用于电解液以及正极活性物质,使电解液和正极活性物质界面之间形成锂的传导通路,锂离子在该传导通路内具有更快的嵌入和脱嵌扩散速率,相对于单独使用钨化合物或钼化合物进行包覆扩散速率有大幅度提高,从而保证最终得到的三元正极材料不仅具有优异的倍率性能,还兼具良好的容量保持率。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1:
一种本发明的钨钼复合包覆三元正极材料,以镍钴铝三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,钨钼复合氧化物与镍钴铝三元材料中镍钴铝总量的摩尔比为0.05%;基体的化学式为Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2,钨钼复合氧化物的化学式为W0.5Mo0.5O3。
本实施例的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将镍钴铝氢氧化物前驱体、氢氧化锂和氧化钛混合,镍、钴、铝的总摩尔数与锂的摩尔比为1:1.03,混合后置于氧气气氛炉中进行第一次烧结,烧结后解离、过筛,得到高镍三元正极材料基体Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2;
(2)采用去离子水对三元正极材料基体进行洗涤,去离子水用量为三元正极材料基体质量的1.5倍,洗涤30min后过滤,将滤饼置于真空干燥箱中烘12h,然后进行过筛处理;
(3)将摩尔比为1:1的三氧化钨和三氧化钼(α-MoO3)混合,混合均匀后加入30wt%的双氧水溶液和去离子水(以三氧化钨和三氧化钼的总量计,每毫摩尔三氧化钨和三氧化钼对应加入15mL的30wt%双氧水和15mL的去离子水),然后置于特氟龙反应釜内并控制温度为110℃进行水热反应,反应18h后过滤、干燥得到钨钼复合包覆材料;
(4)将步骤(2)中获得的三元正极材料基体与步骤(3)获得的钨钼复合包覆材料通过机械混合实现初步包覆,其中,钨钼复合包覆材料的加入量为三元正极材料基体中镍钴铝总量总摩尔数的0.05%;
(5)将步骤(4)初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中进行烧结,烧结温度500℃、时间为10h,烧结后解离、过筛,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
实施例2:
一种本发明的钨钼复合包覆三元正极材料,以镍钴铝三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,钨钼复合氧化物与镍钴铝三元材料中镍钴铝总量的摩尔比为0.05%;镍钴铝三元材料基体的化学式为Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2,钨钼复合氧化物的化学式为W0.6Mo0.4O3。
本实施例的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将镍钴铝氢氧化物前驱体、氢氧化锂和氧化钛混合,镍、钴、铝的总摩尔数与锂的摩尔比为1:1.03,混合后置于氧气气氛炉中进行第一次烧结,烧结后解离、过筛,得到高镍三元正极材料基体Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2;
(2)采用去离子水对三元正极材料基体进行洗涤,去离子水用量为三元正极材料基体质量的1.5倍,洗涤30min后过滤,将滤饼置于真空干燥箱中烘12h,然后进行过筛处理;
(3)将摩尔比为3:2的三氧化钨和三氧化钼(α-MoO3)混合,混合均匀后加入30wt%的双氧水溶液和去离子水(以三氧化钨和三氧化钼的总量计,每毫摩尔三氧化钨和三氧化钼对应加入25mL的30wt%双氧水和25mL的去离子水),然后置于特氟龙反应釜内并控制温度为170℃进行水热反应,反应24h后过滤、干燥得到钨钼复合包覆材料;
(4)将步骤(2)中获得的三元正极材料基体与步骤(3)获得的钨钼复合包覆材料通过机械混合以实现初步包覆,其中,钨钼复合包覆材料的加入量为三元正极材料基体中镍钴铝总量总摩尔数的0.05%;
(5)将步骤(4)初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中进行烧结,烧结温度700℃、时间为12h,烧结后解离、过筛,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
实施例3:
一种本发明的钨钼复合包覆三元正极材料,以镍钴铝三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,钨钼复合氧化物与镍钴铝三元材料中镍钴铝总量的摩尔比为0.05%;基体的化学式为Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ba0.005O2,钨钼复合氧化物的化学式为W0.55Mo0.45O3。
本实施例的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将镍钴铝氢氧化物前驱体、氢氧化锂和氧化钡混合,镍、钴、铝的总摩尔数与锂的摩尔比为1:1.03,混合后置于氧气气氛炉中进行第一次烧结,烧结后解离、过筛,得到高镍三元正极材料基体Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ba0.005O2;
(2)采用去离子水对三元正极材料基体进行洗涤,去离子水用量为三元正极材料基体质量的1.5倍,洗涤30min后过滤,将滤饼置于真空干燥箱中烘12h,然后进行过筛处理;
(3)将摩尔比为11:9的钨酸和钼酸混合,混合均匀后加入30wt%的双氧水溶液和去离子水(以钨酸和钼酸的总量计,每毫摩尔钨酸和钼酸对应加入20mL的30wt%双氧水和20mL的去离子水),然后置于特氟龙反应釜内并控制温度为140℃进行水热反应,反应20h后过滤、干燥得到钨钼复合包覆材料;
(4)将步骤(2)中获得的三元正极材料基体与步骤(3)获得的钨钼复合包覆材料通过机械混合方式实现初步包覆,其中,钨钼复合包覆材料的加入量为三元正极材料基体中镍钴铝总量总摩尔数的0.05%;
(5)将步骤(4)初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中进行烧结,烧结温度600℃、时间为11h,烧结后解离、过筛,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
实施例4:
一种本发明的钨钼复合包覆三元正极材料,以镍钴铝三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,钨钼复合氧化物与镍钴铝三元材料中镍钴铝总量的摩尔比为0.01%;基体的化学式为Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2,钨钼复合氧化物的化学式为W0.4Mo0.6O3。
本实施例的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将镍钴铝氢氧化物前驱体、氢氧化锂和氧化钛混合,镍、钴、铝的总摩尔数与锂的摩尔比为1:1.03,混合后置于氧气气氛炉中进行第一次烧结,烧结后解离、过筛,得到高镍三元正极材料基体Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2;
(2)采用去离子水对三元正极材料基体进行洗涤,去离子水用量为三元正极材料基体质量的1.5倍,洗涤30min后过滤,将滤饼置于真空干燥箱中烘12h,然后进行过筛处理;
(3)将摩尔比为2:3的钨酸和钼酸混合,混合均匀后加入30wt%的双氧水溶液和去离子水(以钨酸和钼酸的总量计,每毫摩尔钨酸和钼酸对应加入20mL的30wt%双氧水和20mL的去离子水),然后置于特氟龙反应釜内并控制温度为140℃进行水热反应,反应20h后过滤、干燥得到钨钼复合包覆材料;
(4)将步骤(2)中获得的三元正极材料基体与步骤(3)获得的钨钼复合包覆材料通过机械混合以实现初步包覆,其中,钨钼复合包覆材料的加入量为三元正极材料基体中镍钴铝总量总摩尔数的0.01%;
(5)将步骤(4)初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中进行烧结,烧结温度600℃、时间为11h,烧结后解离、过筛,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
实施例5:
一种本发明的钨钼复合包覆三元正极材料,以镍钴铝三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,钨钼复合氧化物与镍钴铝三元材料中镍钴铝总量的摩尔比为0.2%;基体的化学式为Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2,钨钼复合氧化物的化学式为W0.8Mo0.2O3。
本实施例的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将镍钴铝氢氧化物前驱体、氢氧化锂和氧化钛混合,镍、钴、铝的总摩尔数与锂的摩尔比为1:1.03,混合后置于氧气气氛炉中进行第一次烧结,烧结后解离、过筛,得到高镍三元正极材料基体Li1.03Ni0.88Co0.1Al0.02Ti0.005O2;
(2)采用去离子水对三元正极材料基体进行洗涤,去离子水用量为三元正极材料基体质量的1.5倍,洗涤30min后过滤,将滤饼置于真空干燥箱中烘12h,然后进行过筛处理;
(3)将摩尔比为4:1的钨酸和钼酸混合,混合均匀后加入30wt%的双氧水溶液和去离子水(以钨酸和钼酸的总量计,每毫摩尔钨酸和钼酸对应加入20mL的30wt%双氧水和20mL的去离子水),然后置于特氟龙反应釜内并控制温度为140℃进行水热反应,反应20h后过滤、干燥得到钨钼复合包覆材料;
(4)将步骤(2)中获得的三元正极材料基体与步骤(3)获得的钨钼复合包覆材料通过机械混合实现初步包覆,其中,钨钼复合包覆材料的加入量为三元正极材料基体中镍钴铝总量总摩尔数的0.2%;
(5)将步骤(4)初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中进行烧结,烧结温度600℃、时间为11h,烧结后解离、过筛,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
实施例6:
一种本发明的钨钼复合包覆三元正极材料,以镍钴锰三元材料为基体,在基体的外表面包裹有钨钼复合氧化物包覆层,钨钼复合氧化物与镍钴铝三元材料中镍钴铝总量的摩尔比为0.05%;基体的化学式为Li1.03Ni0.83Co0.1Mn0.07Mg0.005O2,钨钼复合氧化物的化学式为W0.55Mo0.45O3。
本实施例的钨钼复合包覆三元正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将镍钴铝氢氧化物前驱体、氢氧化锂和氧化钡混合,镍、钴、铝的总摩尔数与锂的摩尔比为1:1.04,混合后置于氧气气氛炉中进行第一次烧结,烧结后解离、过筛,得到高镍三元正极材料基体Li1.03Ni0.83Co0.1Mn0.07Mg0.005O2;
(2)采用去离子水对三元正极材料基体进行洗涤,去离子水用量为三元正极材料基体质量的1.5倍,洗涤30min后过滤,将滤饼置于真空干燥箱中烘10h,然后进行过筛处理;
(3)将摩尔比为10:9的钨酸和钼酸混合,混合均匀后加入30wt%的双氧水溶液和去离子水(以钨酸和钼酸的总量计,每毫摩尔钨酸和钼酸对应加入20mL的30wt%双氧水和20mL的去离子水),然后置于特氟龙反应釜内并控制温度为140℃进行水热反应,反应20h后过滤、干燥得到钨钼复合包覆材料;
(4)将步骤(2)中获得的三元正极材料基体与步骤(3)获得的钨钼复合包覆材料通过机械混合方式实现初步包覆,其中,钨钼复合包覆材料的加入量为三元正极材料基体中镍钴铝总量总摩尔数的0.05%;
(5)将步骤(4)初步包覆的混合物置于氧气气氛炉中进行烧结,烧结温度650℃、时间为10h,烧结后解离、过筛,即得钨钼复合包覆三元正极材料。
对比例1:
和实施例1相比,区别在于制备过程中使用的包覆材料为三氧化钼,即省去步骤(3)中制备钨钼复合包覆材料的步骤,将相同摩尔数未经任何处理的三氧化钼包覆在三元正极材料基体上,其他条件均与实施例1保持一致,最终形成的包覆层为三氧化钼包覆层。
对比例2:
和实施例2相比,区别在于制备过程中使用的包覆材料为三氧化钨,即省去步骤(3)中制备钨钼复合包覆材料的步骤,将相同摩尔数未经任何处理的三氧化钨包覆在三元正极材料基体上,其他条件均与实施例2保持一致,最终形成的包覆层为三氧化钨包覆层。
对比例3:
和实施例3相比,区别在于制备过程中使用的包覆材料由相同摩尔数的钨酸和钼酸未经任何处理直接混合得到,其他条件均与实施例3保持一致,最终形成的包覆层为三氧化钨和三氧化钼的混合包覆层。
对比例4:
和实施例3相比,区别在于:钨酸和钼酸的摩尔比为3:7,包覆层的化学式为W0.3Mo0.7O3,其他条件均与实施例3保持一致。
对比例5:
和实施例3相比,区别在于:钨酸和钼酸的摩尔比为17:3,包覆层的化学式为W0.85Mo0.15O3,其他条件均与实施例3保持一致。
对比例6:
和实施例3相比,区别在于:将步骤(3)中水热反应替换为70℃条件下的恒温水浴反应,反应时间为2.5h,且每毫摩尔钨酸和钼酸对应加入0.6mL的30wt%双氧水和0.6mL的去离子水。
对比例7:
和实施例6相比,区别在于制备过程中使用的包覆材料为三氧化钼,即省去步骤(3)中制备钨钼复合包覆材料的步骤,将相同摩尔数未经任何处理的三氧化钼包覆在三元正极材料基体上,其他条件均与实施例6保持一致,最终形成的包覆层为三氧化钼包覆层。
对各实施例和对比例最终得到的包覆型高镍正极材料制成以金属锂片为负极的扣式电池进行评价测试,在常温、电压区间为3.0~4.3V的条件下进行0.2C充电,然后分别进行1.0C、2.0C倍率放电,理化指标测试和扣电结果见下表1所示。
表1各实施例和对比例最终得到的包覆型高镍正极材料的性能
由表1可知,实施例1-6中钨钼复合包覆三元正极材料的1C倍率大于191mAh/g,2C倍率大于186mAh/g,1C循环50周的容量保持率大于90%,即表明本发明最终制备得到的钨钼复合包覆的三元正极材料具有极为优异的倍率性能和良好的容量保持率。对比例1-2、7中的包覆剂分别只使用了钨化合物和钼化合物中的一种,对比例3虽然使用到了钨化合物和钼化合物,但是并没有进行任何处理而是直接混合得到包覆材料,对比例4-5虽然进行了处理但是钨化合物和钼化合物的配比不在本发明限定的范围以内,对比例6的钨钼复合物的制备过程未采用水热法制备,通过观察测试得到的实验数据可知,对比例1-7的循环保持率整体上不及实施例,但是差距并不明显,但是从扣电1C放电容量和扣电2C放电容量的数据来看,对比例1-7的倍率性能远劣于实施例。