CN113501553A - 一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴及其制备方法，主要用于锂电池正极材料制备技术领域。该方法为：1、配制好钴盐溶液、偏铝酸钠溶液、氢氧化钠溶液；2、向反应釜中加入纯水，并用氢氧化钠调pH11.0～12.0，温度40～70℃，搅拌80～300rpm，同时投入上述三种溶液，控制过程pH在11.0～12.0，投料反应时间控制在4～8h，投料结束后搅拌分散0.2～0.4h。3、合成好的掺铝氢氧化钴经压滤、洗涤、干燥，并采用气流磨破碎，最终得到无团聚的亚微米级掺铝氢氧化钴。本发明有效解决了亚微米级颗粒之间的粘连问题，所制备的掺铝氢氧化钴具有很好的包覆效果。

Description

一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴及其制备方法
技术领域
本发明属于锂电池正极材料制备技术领域，特别涉及一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法。
背景技术
钴酸锂是手机、笔记本电脑、数码相机等3C类电子产品电池的首选正极材料，随着科技不断进步，人们的消费水平不断提高，对电子产品的续航能力，充电速率等性能要求也越来越高，锂离子电池的大容量、高倍率等主要取决于正极材料钴酸锂的性能。通过提高LCO的充电截止电压，让更多锂离子参与充放电来提高钴酸锂的比容量。目前钴酸锂充电截止电压已从4.4V正式步入4.45V，而4.5V是未来高电压钴酸锂的发展必然趋势。4.4V钴酸锂在制备过程中，由于固相反应后表面含有过量的锂，需要用超细的氢氧化钴对一烧后的钴酸锂进行包覆烧制，消耗钴酸锂表面过量的锂；4.45V钴酸锂包覆材料为超细的氢氧化钴或低掺铝量氢氧化钴，Al的质量百分比为0.1～1％。为保障LCO表面在更高4.5V及以上电压平台下的稳定性，相应的包覆材料要求也大大提高。在氢氧化钴湿法合成过程中掺入铝，制备高掺铝量(Al:1～5％)氢氧化钴，能有效提高钴酸锂在更高电压平台下结构稳定性，改善其电化学性能。
目前掺铝氢氧化钴存在以下困难：1.亚微米级氢氧化钴本身粒子小，比表大，活性高，在湿法合成阶段容易团聚粘连；2.掺铝后由于反应体系铝的浓度积小，易先生成氢氧化铝胶状物，其比表大，吸附能力强，能吸附氢氧化钴加深颗粒团聚现象，且掺铝量越高颗粒团聚现象越严重。
发明内容
本发明针对4.5V高电压钴酸锂和掺铝氢氧化钴技术难题，提供了一种高掺铝量1％～5％，颗粒无团聚，粒度D50＜1μm(非超声状态下激光粒度)的掺铝氢氧化钴的制备方法。其中包括以下步骤：
1、配制钴盐溶液：将一定量钴盐与纯水混合，配制成浓度为80～160g/L；
2、配制掺铝溶液：将一定量的铝盐溶解到氢氧化钠溶液中，得到偏铝酸钠溶液，铝离子浓度在2～10g/L，氢氧化钠溶液浓度在80～120g/L；
3、配制碱溶液：将氢氧化钠加水溶解稀释，配制成浓度为40～80g/L碱溶液；
4、湿法合成：向反应釜中加入底液，并加入抗氧化剂和搅拌分散剂，开启，温度控制在40～70℃，同时加入钴盐溶液、掺铝溶液和碱溶液。钴盐溶液流量为200～1000L/h，掺铝溶液流量与钴盐溶液流量关系为：铝与钴的质量比为0.017～0.092∶1，过程通过控制碱溶液流量严格控制过程pH在11.0～12.0范围内，投料反应时间控制在4～8h，投料结束后搅拌分散0.2～0.4h。
5、合成好的掺铝氢氧化钴经压滤、洗涤、干燥，并采用气流磨破碎，最终得到无团聚的亚微米级掺铝氢氧化钴成品；
作为优选，步骤1中的钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的一种或几种；
作为优选，步骤2中的铝盐为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝中的一种或几种；
作为优选，步骤4中底液指纯水，并用氢氧化钠调pH在11.0～12.0范围内，底液量占反应釜总体积的20％；
作为优选，步骤4中抗氧化剂为硼氢化钠、丙酮肟、水合肼中的一种或几种；
作为优选，步骤4中分散剂为六偏磷酸钠、聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠、中链甘油三酯中的一种或几种；
作为优选，步骤4中搅拌转速在每分钟80～300转；
由于掺铝氢氧化钴极容易团聚粘连，且本发明的掺铝含量高达1％～5％，严重影响浆料流动性，影响颗粒分散。本专利通过下述三个关键点解决上述难题，具体关键点如下：第一、Al以NaAlO2的形式参与反应，其在高pH条件下水解生成氢氧化铝速率比Al3+与OH-反应沉淀速率慢，降低反应速率解决颗粒分散性；第二、严格控制过程pH在11.0～12.0，能够有效控制反应体系内偏铝酸根的水解速率，控制反应速率；第三、底液加入分散剂，能有效形成空间位阻，解决颗粒粘连；
附图说明
图1为本发明实施例1所得产品的扫描电镜图；
图2为本发明实施例2所得产品的扫描电镜图；
图3为本发明实施例3所得产品的扫描电镜图；
图4为本发明实施例1所得产品的粒度PSD曲线图；
图5为本发明实施例2所得产品的粒度PSD曲线图；
图6为本发明实施例3所得产品的粒度PSD曲线图。
具体实施方式
实施例1
1、配制80g/L的硫酸钴溶液，搅拌均匀；
2、将硫酸铝溶解到80g/L的氢氧化钠中，配成铝离子浓度为2g/L；
3、将氢氧化钠加水溶解稀释，配制成浓度为40g/L碱溶液；
4、向反应釜中加入纯水做底液，并用氢氧化钠调pH为11.0～11.2，加入硼氢化钠和六偏磷酸钠到底液中，开启搅拌，转速为每分钟80转，温度控制在40℃，同时加入钴盐溶液、掺铝溶液和碱溶液。钴盐溶液流量为200L/h，掺铝溶液流量与钴盐溶液流量关系为：铝与钴的质量比为0.017∶1，过程通过控制碱溶液流量严格控制过程pH在11.0～11.2范围内，投料反应时间控制在4h，投料结束后搅拌分散0.2h；
5、合成好的掺铝氢氧化钴经压滤、洗涤、干燥，并采用气流磨破碎，最终得到无团聚的亚微米级掺铝氢氧化钴成品；
所述掺铝氢氧化钴检测指标：Co含量61.32％，中值粒径D50：0.591μm(如图4所示)，掺铝量1.0059％，分散好，无大块团聚颗粒(如图1所示)。
实施例2
1、配制120g/L的氯化钴溶液，搅拌均匀；
2、将氯化铝溶解到100g/L的氢氧化钠中，配成铝离子浓度为6g/L；
3、将氢氧化钠加水溶解稀释，配制成浓度为60g/L碱溶液
4、向反应釜中加入纯水做底液，并用氢氧化钠调pH为11.4～11.6，加入丙酮肟和聚乙二醇和中链甘油三酯到底液中，开启搅拌，转速为每分钟200转，温度控制在55℃，同时加入钴盐溶液、掺铝溶液和碱溶液。钴盐溶液流量为600L/h，掺铝溶液流量与钴盐溶液流量关系为：铝与钴的质量比为0.054∶1，过程通过控制碱溶液流量严格控制过程pH在11.4～11.6范围内，投料反应时间控制在6h，投料结束后搅拌分散0.3h；
5、合成好的掺铝氢氧化钴经压滤、洗涤、干燥，并采用气流磨破碎，最终得到无团聚的亚微米级掺铝氢氧化钴成品；
所述掺铝氢氧化钴检测指标：Co含量57.81％，中值粒径D50：0.516μm(如图5所示)，掺铝量3.0121％，分散好，无大块团聚颗粒(如图2所示)。
实施例3
1、配制160g/L的硝酸钴溶液，搅拌均匀；
2、将硝酸铝溶解到120g/L的氢氧化钠中，配成铝离子浓度为10g/L；
3、将氢氧化钠加水溶解稀释，配制成浓度为80g/L碱溶液
4、向反应釜中加入纯水做底液，并用氢氧化钠调pH为11.8～12.0，加入水合肼和十二烷基苯磺酸钠到底液中，开启搅拌，转速为每分钟300转，温度控制在70℃，同时加入钴盐溶液、掺铝溶液和碱溶液。钴盐溶液流量为1000L/h，掺铝溶液流量与钴盐溶液流量关系为：铝与钴的质量比为0.092∶1，过程通过控制碱溶液流量严格控制过程pH在11.8～12.0范围内，投料反应时间控制在8h，投料结束后搅拌分散0.4h；
5、合成好的掺铝氢氧化钴经压滤、洗涤、干燥，并采用气流磨破碎，最终得到无团聚的亚微米级掺铝氢氧化钴成品；
所述掺铝氢氧化钴检测指标：Co含量54.09％，中值粒径D50：0.502μm(如图6所示)，掺铝量5.0098％，分散好，无大块团聚颗粒(如图3所示)。

Claims (7)

1.本发明提供一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其中包括以下步骤：
(1)配制钴盐溶液：将一定量钴盐与纯水混合，配制成浓度为80～160g/L；
(2)配制掺铝溶液：将一定量的铝盐溶解到氢氧化钠溶液中，得到偏铝酸钠溶液，铝离子浓度在2～10g/L，氢氧化钠溶液浓度在80～120g/L；
(3)配制碱溶液：将氢氧化钠加水溶解稀释，配制成浓度为40～80g/L碱溶液；
(4)湿法合成：向反应釜中加入底液，并加入抗氧化剂和分散剂，开启搅拌，温度控制在40～70℃，同时加入钴盐溶液、掺铝溶液和碱溶液。钴盐溶液流量为200～1000L/h，掺铝溶液流量与钴盐溶液流量关系为：铝与钴的质量比为0.017～0.092∶1，过程通过控制碱溶液流量严格控制过程pH在11.0～12.0范围内，投料反应时间控制在4～8h，投料结束后搅拌分散0.2～0.4h；
(5)合成好的掺铝氢氧化钴经压滤、洗涤、干燥，并采用气流磨破碎，最终得到无团聚的亚微米级掺铝氢氧化钴成品。
2.根据权利要求1所述的一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其特征在于：步骤1中的钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其特征在于：步骤2中的铝盐为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其特征在于：步骤4中底液指纯水，并用氢氧化钠调pH在11.0～12.0范围内，底液量占反应釜总体积的20％。
5.根据权利要求1所述的一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其特征在于：步骤4中抗氧化剂为硼氢化钠、丙酮肟、水合肼中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其特征在于：步骤4中分散剂为六偏磷酸钠、聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠、中链甘油三酯中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种高电压钴酸锂包覆材料掺铝氢氧化钴的制备方法，其特征在于：步骤4中搅拌转速在每分钟80～300转。
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