CN113683406A - 一种偏铝酸锂陶瓷材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种偏铝酸锂陶瓷材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏铝酸锂陶瓷材料及其制备方法和应用。将一定粒度大小的含锂化合物与含铝化合物在混合设备中混合均匀，得到混匀的粉体材料；其中，含锂化合物与含铝化合物的用量按照锂元素与铝元素摩尔比为(0.75‑2)：(0.8‑2)取用；将混匀的粉体材料在500℃‑1300℃温度下保温1‑20小时，之后自然降温，得到块状或粗粉体状的偏铝酸锂材料；将偏铝酸锂材料进行细粉碎或将偏铝酸锂材料制备成浆料，即得到偏铝酸锂陶瓷材料。本发明制备方法所用原材料便宜、工艺简单，通过混合和热处理两个步骤即可得到较高纯度的偏铝酸锂材料，再通过粉碎成细粉或制备成浆料，即可用得到偏铝酸锂陶瓷材料，用于锂离子电池的正极添加材料，提高电池的存储性能。

Description

一种偏铝酸锂陶瓷材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其是一种碳包覆偏铝酸锂材料及其制备方法及应用。
背景技术
锂离子电池因具有输出电压高、能量密度高、循环寿命长、安全性能好、无记忆效应等特点，作为主要的储能器件成功应用于移动电源领域。为了进一步满足电网储能、电动汽车以及消费类电子产品对储能器件的需求，更长循环寿命、安全性更好、能量密度更高的电极材料以及锂电池体系成为研究热点。
在实际生产中，锂离子电池的长时间存储现象十分普遍，电池生产销售周期过程中可能出现长时间存放搁置，实际使用中有时也长期处于存储状态。然而锂离子电池在长期存储过程中，特别是在高低温环境交替变化下，荷电状态100％下电池系统处于热力学不稳定状态，会不断发生向平衡状态转变的过程，当变化积累到一定程度后，不仅会导致锂离子电池电压、内阻变化，还将影响倍率性能及安全特性。
本发明旨在提供一种能够用作正极添加剂的材料，来提高锂离子电池的存储性能。
发明内容
本发明提出了一种偏铝酸锂陶瓷材料及其制备方法和应用，用于锂离子电池的正极添加剂，具有制备工艺简单、材料价廉易得，能够有效提高锂离子电池的存储性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，所述偏铝酸锂制备方法包括如下步骤：
将一定粒度大小的含锂化合物与含铝化合物在混合设备中混合均匀，得到混匀的粉体材料；其中，含锂化合物与含铝化合物的用量按照锂元素与铝元素摩尔比为(0.75-2)：(0.8-2)取用；
将所述混匀的粉体材料在500℃-1300℃温度下保温1-20小时，之后自然降温，得到块状或粗粉体状的偏铝酸锂材料；
将所述偏铝酸锂材料进行细粉碎或将所述偏铝酸锂材料制备成浆料，即得到所述偏铝酸锂陶瓷材料。
优选的，所述含锂化合物包括氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂或氯化锂中的一种或多种混合；
所述含铝化合物包括各晶型结构的氧化铝粉末，其中，所述氧化铝粉末粒度大小为0.3-100μm；
含锂化合物与含铝化合物的用量按照锂元素与铝元素摩尔比为(0.85-2)：(1.0-1.6)取用。
优选的，所述将所述混匀的粉体材料在500℃-1300℃温度下保温1-20小时，之后自然降温具体为:
将所述混匀的粉体材料在热处理设备中以0.5-20℃/min升温速率升温至500～1300℃，保温1-20小时，然后自然降至室温。
进一步优选的，所述热处理设备包括：箱式炉、管式炉、辊道窑、推板窑或回转炉中的一种。
优选的，所述混合设备包括：双运动混合机、三维混合机、V型混合机、单锥双螺旋混合机、槽式螺带混合机或卧式无重力混合机中的一种。
优选的，所述将所述偏铝酸锂材料进行细粉碎具体为：使用粉碎设备对所述偏铝酸锂材料进行细粉碎；所述细粉碎后所得到的所述偏铝酸锂陶瓷材料为0.3-100μm的粉末材料；
所述将所述偏铝酸锂材料制备成浆料具体为：使用粉碎设备对所述偏铝酸锂材料进行初级破碎，再将初级破碎所得材料放入加有溶剂的球磨机或磨砂机中，制备成浆料；所述溶剂包括油系溶剂、水系溶剂或酒精系溶剂中的任一种；所述浆料中偏铝酸锂陶瓷材料的颗粒大小在0.1-30μm。
优选的，所述粉碎设备包括：颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机和辊式破碎、扁平式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机、循环式气流粉碎机、撞击式破碎机、膨胀式破碎机、球磨粉碎机、高速旋转抛射式粉碎机或高速旋转撞击式粉碎机中的一种或几种。
第二方面，本发明实施例提供了上述第一方面所述的制备方法制备得到的偏铝酸锂陶瓷材料。
第三方面，本发明实施例提供了一种碳包覆偏铝酸锂材料的用途，所述碳包覆偏铝酸锂材料用于电的池正极材料添加剂。
优选的，所述电池具体包括锂离子电池。
本发明制备方法所用原材料便宜、工艺简单，通过混合和热处理两个步骤即可得到较高纯度的偏铝酸锂材料，再通过粉碎成细粉或制备成浆料，即可用得到偏铝酸锂陶瓷材料，用于锂离子电池的正极添加材料，提高电池的存储性能。
附图说明
下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步详细描述。
图1为本发明实施例提供的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的偏铝酸锂陶瓷材料的粒度分布曲线；
图3为本发明实施例1提供的偏铝酸锂陶瓷材料的X射线衍射(XRD)图；
图4为本发明实施例2提供的偏铝酸锂陶瓷材料的扫描电镜(SEM)图；
图5为本发明实施例3和对比例1的锂离子电池的存储性能的对比图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种偏铝酸锂陶瓷材料及其制备方法，其制备方法如图1所示，主要包括如下步骤：
步骤110，将一定粒度大小的含锂化合物与含铝化合物在混合设备中混合均匀，得到混匀的粉体材料；
其中，含锂化合物包括氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂或氯化锂中的一种或多种混合；含铝化合物包括各晶型结构的氧化铝粉末，其中，氧化铝粉末粒度大小为0.3-100μm；
含锂化合物与含铝化合物的用量按照锂元素与铝元素摩尔比为(0.75-2)：(0.8-2)取用；优选的，按(0.85-2)：(1.0-1.6)取用。
混合设备包括：双运动混合机、三维混合机、V型混合机、单锥双螺旋混合机、槽式螺带混合机或卧式无重力混合机中的一种。
步骤120，将混匀的粉体材料在500℃-1300℃温度下保温1-20小时，之后自然降温，得到块状或粗粉体状的偏铝酸锂材料；
具体的，本步骤在热处理设备中以0.5-20℃/min升温速率升温至500～1300℃。热处理设备包括：箱式炉、管式炉、辊道窑、推板窑或回转炉中的一种。
步骤130，将偏铝酸锂材料进行细粉碎或将偏铝酸锂材料制备成浆料，即得到偏铝酸锂陶瓷材料。
其中，将所述偏铝酸锂材料进行细粉碎具体为：使用粉碎设备对偏铝酸锂材料进行细粉碎；细粉碎后所得到的偏铝酸锂陶瓷材料为0.3-100μm的粉末材料；
将所述偏铝酸锂材料制备成浆料具体为：使用粉碎设备对偏铝酸锂材料进行初级破碎，再将初级破碎所得材料放入加有溶剂的球磨机或磨砂机中，制备成浆料；溶剂包括油系溶剂、水系溶剂或酒精系溶剂中的任一种；浆料中偏铝酸锂陶瓷材料的颗粒大小在0.1-30μm。
以上步骤中所用的粉碎设备包括：颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机和辊式破碎、扁平式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机、循环式气流粉碎机、撞击式破碎机、膨胀式破碎机、球磨粉碎机、高速旋转抛射式粉碎机或高速旋转撞击式粉碎机中的一种或几种。
本发明上述方法获得的偏铝酸锂陶瓷材料，用于锂离子电池的正极材料添加剂。
以上制备方法所用原材料便宜、工艺简单，通过混合和热处理两个步骤即可得到较高纯度的偏铝酸锂材料，再通过粉碎成细粉或制备成浆料，即可用得到偏铝酸锂陶瓷材料，用于锂离子电池的正极添加材料，提高电池的存储性能。
下面以几个具体实例来进行说明。
实施例1
将粒度大小为3μm的氧化铝粉末与氢氧化锂按照锂元素与铝元素比例为1.2：1在双运动混合机机中混合均匀，然后将混匀的材料在箱式炉中以5℃/min升温至750℃保温10小时，再降至室温；随后将热处理后的块状材料先经过颚式破碎机破碎小块，再经过扁平式气流粉碎机粉碎成6μm大小的粉末，得到微米级粉体偏铝酸锂陶瓷材料。
材料的粒度分布曲线如图2所示。
材料的XRD如图3所示，从XRD图形的分析可以显示出偏铝酸锂材料结构未发生改变。
实施例2
将粒度大小为3μm的氧化铝粉末与2μm大小的碳酸锂(Li2CO3)按照锂元素与铝元素比例为1.08：1在双运动混合机机中混合均匀，然后将混匀的材料在回转炉中以3℃/min升温至1100℃保温5小时，再降至室温；随后将烧结后的材料先经过颚式破碎机破碎小块，再经过扁平式气流粉碎机粉碎成1μm大小的粉末，得到微米级粉体偏铝酸锂陶瓷材料。材料的振实密度为2.28g/cm3，材料扫面电镜图如图4所示。从偏铝酸锂陶瓷材料的SEM图形可以看出，材料为无规则多边形。
实施例3
将粒度大小为0.5μm的氧化铝粉末与2μm大小的碳酸锂(Li2CO3)按照锂元素与铝元素比例为1.03：1在V型混合机中混合均匀，然后将混匀的材料在回转炉中以1℃/min升温至780℃保温6小时，再降至室温；随后将烧结后的材料先经过锤式破碎机破碎小块，再经过循环式气流粉碎机粉碎成10μm大小的粉末，然后将中间产品粉末加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂经过砂磨机研磨到0.15μm，得到纳米级偏铝酸锂陶瓷浆料材料。
将上述制备的纳米级偏铝酸锂浆料材料按照1wt％的有效比例，与95wt％的正极材料磷酸铁锂材料、2wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)和2wt％的导电炭黑(SP)混合形成正极浆料，涂布到铝箔上烘干制备成正极片，与石墨负极组装成全电池，满点且恒温25℃条件下测试电池电压降低随存储时间的变化。
对比例1
为了对比本发明材料在电池中性能发挥的作用，装配不添加制备的材料的电池，96wt％的正极材料磷酸铁锂材料、2wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)和2wt％的导电炭黑(SP)混合形成正极浆料，涂布到铝箔上烘干制备成正极片，与石墨负极组装成全电池，满点且恒温25℃条件下测试电池电压降低随存储时间的变化。
实施例3与对比例1的电池电压降随存储时间的变化对比如图5所示。测试存储30天中的电池电压可以看到，随时间推移，添加了本发明制备的纳米级偏铝酸锂浆料材料，电池电压下降更为缓慢，锂离子电池的存储性能有明显提升。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述偏铝酸锂制备方法包括如下步骤：
将一定粒度大小的含锂化合物与含铝化合物在混合设备中混合均匀，得到混匀的粉体材料；其中，含锂化合物与含铝化合物的用量按照锂元素与铝元素摩尔比为(0.75-2)：(0.8-2)取用；
将所述混匀的粉体材料在500℃-1300℃温度下保温1-20小时，之后自然降温，得到块状或粗粉体状的偏铝酸锂材料；
将所述偏铝酸锂材料进行细粉碎或将所述偏铝酸锂材料制备成浆料，即得到所述偏铝酸锂陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述含锂化合物包括氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂或氯化锂中的一种或多种混合；
所述含铝化合物包括各晶型结构的氧化铝粉末，其中，所述氧化铝粉末粒度大小为0.3-100μm；
含锂化合物与含铝化合物的用量按照锂元素与铝元素摩尔比为(0.85-2)：(1.0-1.6)取用。
3.根据权利要求1所述的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述将所述混匀的粉体材料在500℃-1300℃温度下保温1-20小时，之后自然降温具体为:
将所述混匀的粉体材料在热处理设备中以0.5-20℃/min升温速率升温至500～1300℃，保温1-20小时，然后自然降至室温。
4.根据权利要求3所述的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述热处理设备包括：箱式炉、管式炉、辊道窑、推板窑或回转炉中的一种。
5.根据权利要求1所述的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述混合设备包括：双运动混合机、三维混合机、V型混合机、单锥双螺旋混合机、槽式螺带混合机或卧式无重力混合机中的一种。
6.根据权利要求1所述的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
所述将所述偏铝酸锂材料进行细粉碎具体为：使用粉碎设备对所述偏铝酸锂材料进行细粉碎；所述细粉碎后所得到的所述偏铝酸锂陶瓷材料为0.3-100μm的粉末材料；
所述将所述偏铝酸锂材料制备成浆料具体为：使用粉碎设备对所述偏铝酸锂材料进行初级破碎，再将初级破碎所得材料放入加有溶剂的球磨机或磨砂机中，制备成浆料；所述溶剂包括油系溶剂、水系溶剂或酒精系溶剂中的任一种；所述浆料中偏铝酸锂陶瓷材料的颗粒大小在0.1-30μm。
7.根据权利要求6所述的偏铝酸锂陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
所述粉碎设备包括：颚式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机和辊式破碎、扁平式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机、循环式气流粉碎机、撞击式破碎机、膨胀式破碎机、球磨粉碎机、高速旋转抛射式粉碎机或高速旋转撞击式粉碎机中的一种或几种。
8.一种上述权利要求1-7任一所述的制备方法制备得到的偏铝酸锂陶瓷材料。
9.一种上述权利要求8所述的偏铝酸锂陶瓷材料的用途，其特征在于，所述偏铝酸锂陶瓷材料用于电池的正极材料添加剂。
10.根据权利要求9所述的偏铝酸锂陶瓷材料的用途，其特征在于，所述电池具体包括锂离子电池。
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