CN113809301B - 具有类蛋黄结构的高电压氮掺杂镍锰酸锂电极材料及其储锂应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用碳酸氢铵沉淀剂制备具有类蛋黄结构的氮掺杂镍锰酸锂电极材料的方法。该方法是以碳酸氢铵作为沉淀剂,以水溶性金属盐(硫酸镍、硝酸镍、氯化镍、硫酸锰、氯化锰等)分别作为镍源和锰源,将碳酸氢铵沉淀剂缓慢滴加到金属离子溶液中,形成碳酸盐前驱体沉淀。离心分离,烘干后加入乙酸锂研磨,在马弗炉中煅烧得到氮掺杂镍锰酸锂。所制备类蛋黄结构有利于缩短锂离子的传输路径,增加反应界面,同时氮掺杂有助于形成Ni‑N和Mn‑N键合,提升电极材料的稳定性,从而使该材料作为高电压锂离子电池正极材料表现出高容量和长循环性能。

Description

具有类蛋黄结构的高电压氮掺杂镍锰酸锂电极材料及其储锂 应用
技术领域
本发明属于电化学储能器件领域,提供了一种共沉淀法制备具有核壳类蛋黄结构的掺氮镍锰酸锂电极材料的方法,以及在锂离子电池中的应用。
背景技术
自从20世纪90年代初索尼公司首次将锂离子电池商业化以来,锂离子电池已经广泛应用于便携式设备、电动汽车和混合动力汽车,彻底改变了我们的生活方式。与其他电池系统如镍镉、镍金属氢化物、铅酸电池相比,锂离子电池具有高能量密度、高输出潜力、低自放电、工作温度范围广等优点。2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池的发展,进一步肯定了锂离子电池商业化的成功。然而,由于电动汽车和混合动力汽车有限的能量密度,现有的商用锂离子电池是目前电动汽车和混合动力汽车快速发展的限制因素。考虑到正极材料在最先进的锂离子电池中占了高重量和成本,用更便宜和更高能量密度的材料替代这些材料是提高电池能量密度的关键。
现在商业化的磷酸铁锂电池能量密度不高,不能满足消费者的出行要求;而采用三元(镍钴锰、镍钴铝)电池的新能源汽车近几年在充电静置的过程中极易爆炸,安全性不高,且由于钴元素的存在,大大提高了电池整体的成本,而且钴元素在地壳中的低丰度以及毒性使研究人员开始转向对无钴电池的探索。
其中无钴材料镍锰酸锂,由于其高离子电导率和4.7V的高电压平台,在单体电池中达到650Wh kg-1的理论能量密度而受到广泛关注。但是,目前镍锰酸锂正极材料存在的主要问题是长循环稳定性不够理想,急需要解决。
本专利选用碳酸氢铵为沉淀剂和氮源,通过共沉淀法制备了具有核壳结构的球形碳酸盐前驱体;经分步升温煅烧得到具有类蛋黄结构的氮掺杂镍锰酸锂粉末,表现出优异的倍率性能和循环性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是高电压镍锰酸锂正极材料在电化学循环过程中结构不稳定,导致循环容量衰减严重的问题。
为了解决上述的技术问题,本发明采用的技术方案是:
利用碳酸氢铵为沉淀剂和氮源,通过共沉淀和分步煅烧技术,制备了具有核壳类蛋黄结构的掺氮镍锰酸锂,通过内部独特多孔结构提升离子扩散通道和反应活性面积,利用Ni-N和Mn-N键合提升晶体结构的稳定性,从而有效改善了镍锰酸锂的倍率性能和电化学循环稳定性。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
(1)碳酸氢铵作为沉淀剂和氮源,不仅制备了镍锰酸锂独特的类蛋黄结构,同时实现了氮元素的原位掺杂,简化了制备工艺,提升了制备效率。
(2)利用氮掺杂改善镍锰酸锂的晶体结构,所形成的Ni-N和Mn-N键有效提升了镍锰酸锂在电化学过程中的结构稳定性。
(3)通过该技术得到的镍锰酸锂正极材料,制备工艺简单,绿色无污染,且成本低,适合大规模批量生产。
(4)通过该技术生产的镍锰酸锂正极材料具有优异的电化学性能,在10C的倍率下循环500圈,容量保持率在90%以上,表现出较高的循环稳定性。
附图说明
图1为实施例1得到的镍锰酸锂材料的扫描电镜(SEM)图片。
图2为实施例2得到的镍锰酸锂材料的扫描电镜(SEM)图片。
图3为实施例3得到的镍锰酸锂材料的扫描电镜(SEM)图片。
图4为本发明实施例1-3制备的镍锰酸锂材料组装成锂离子半电池,在室温下测得的倍率—比容量曲线。
图5为本发明实施例1-3制备的镍锰酸锂材料组装成锂离子半电池,在室温10C倍率下测得的循环稳定性。
图6为本发明实施例1制备的镍锰酸锂材料组装成锂离子半电池,在室温下测得的倍率——能量密度关系图。
具体实施方式
现参考以下具体实施例对本发明做出说明,但并非仅限于实施例。
实施例1
将5mmol硫酸镍和15mmol硫酸锰溶于100ml水和50ml无水乙醇的混合溶剂中,滴加浓度为0.6mol L-1的碳酸氢铵溶液,在50℃水浴锅中搅拌1h后,在室温下静置老化10h,得到的前驱体溶液离心数次后烘干。烘干的前驱体加入10mmol乙酸锂,稍微过量10%,以补充高温下的锂挥发带来的锂损失。混匀后在马弗炉中以5℃min-1的升温速度,在400℃保温8h,继续升温到700℃保温12h。所制备样品进行显微结构表征,表征结果如图1。
从图1的SEM图像中可以看出,所制备的镍锰酸锂样品为球形,呈类蛋黄结构,且晶粒结晶度高,发育完全。晶粒大小约为200nm左右,这种特殊的形貌能够抵抗大电流和极化产生的冲击力,电解液可以由外壳渗透进内部,有利于离子和电子的转移,提高电解液与电极材料的接触面积,而且可以很好的适应重复循环过程中的体积变化。
实施例2
本实施例的方法与实施例1基本相同,不同之处为:在实施例1的基础上,将碳酸氢铵沉淀剂改为碳酸氢钠沉淀剂,并对其进行表征,碳酸氢钠沉淀剂制备的镍锰酸锂样品表征结果如图2。
从图2中的扫描图像可以看出,实施例2形貌为实心球,且表面比较致密,电解液难以充分浸润。
实施例3
本实施例的方法与实施例1基本相同,不同之处为:在实施例1的基础上,将碳酸氢铵沉淀剂改为碳酸氢钾沉淀剂,并对其进行表征,碳酸氢钾沉淀剂制备的镍锰酸锂样品表征结果如图3。
从图2中的扫描图像中可以看出,实施例3形貌为实心球,且表面更为致密,电解液难以充分浸润。颗粒更为细小,容易与电解液发生副反应。材料的晶化程度不如碳酸氢铵,结晶性较差。
应用例1
将实施例1得到的镍锰酸锂正极材料、导电乙炔黑、粘结剂PVDF以8:1:1的质量比加入至1-甲基-2-吡咯烷酮中充分研磨,并用刮刀均匀的涂覆在铝箔集流体上制成电极片,在120℃的真空烘箱中烘干,用切片机冲直径为12mm的电极片。在水值和氧值均小于0.01ppm的充满氩气的手套箱中组装成锂离子半电池,静置12h后在蓝电测试系统上进行性能测试,倍率性能测试结果如图4,循环性能测试结果如图5,倍率-能量密度测试结果如图6。
从图4的倍率图可以看出,所制备样品的倍率性能较其他另外两组的性能好,说明实施例1制备的镍锰酸锂电池导电性好,锂离子与电子传输更快,即使在10C的大倍率下仍然能维持120mAh g-1的容量。实施例2和实施例3制备的镍锰酸锂材料组装成的半电池在10C大电流密度下容量仅维持在100mAh g-1。从图5的循环图中可以看出,实施例1在2C倍率下循环500圈后仍能达到94.47%的容量保持率,而实施例2循环500圈后容量保持率为87.18%,实施例3循环500圈后容量保持率为88.24%,相比较下实施例1具有优异的循环稳定性。从图6不同倍率下的能量密度图可以看出,实施例1组装的单体电池具有出色的能量密度,在10C倍率下仍能达到560Wh kg-1,表现出较高的能量密度。

Claims (4)

1.一种利用碳酸氢铵为沉淀剂制备具有类蛋黄结构的氮掺杂镍锰酸锂电极材料的方法,其特征在于包含如下的步骤:(a)碳酸氢铵沉淀剂:碳酸氢铵作为沉淀剂,将其溶于去离子水中,充分溶解,形成碳酸氢铵透明溶液;(b)前驱体的制备:通过加入沉淀剂,使锰离子和镍离子同时沉淀得到球形复合金属碳酸盐;(c)具有类蛋黄结构镍锰酸锂微球的制备:所制备球形碳酸盐前驱体与乙酸锂水溶液充分混合,干燥后在马弗炉中煅烧,制得镍锰酸锂类蛋黄结构的颗粒;(d)氮掺杂镍锰酸锂的制备:由于铵根离子的存在,在煅烧过程中形成以Ni-N和Mn-N键合为主的氮掺杂镍锰酸锂;在步骤(b)中,加入的碳酸氢铵沉淀剂浓度为0.3-1.0mol L-1,缓慢滴加到无水乙醇与去离子水比例为1:2的硫酸锰与硫酸镍混合溶液中,加入乙醇的目的是为了细化晶粒;共沉淀的水浴温度为50℃,搅拌时间为1h;陈化的时间为10h;所制备出的碳酸盐前驱体直径为5-10μm的微球,颗粒大小均匀;所制备的碳酸盐微球内部为核壳结构,核与壳的成分一致,但密度不同,壳体部分较内核部分致密;所制备氮掺杂镍锰酸锂的形貌呈类蛋黄结构,内部为2-3μm的球形核,外部为厚度为1μm左右的壳体,氮掺杂含量在1%-5%。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(a)中,碳酸氢铵不仅可以作为沉淀剂还可以作为氮源,实现氮在镍锰酸锂晶粒中的原位掺杂。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(c)中,煅烧温度为400℃,保温时间为8h,再以5℃min-1升温速率升温至700℃,保温12h;经过煅烧后,所得到的氮掺杂镍锰酸锂样品仍保持球形,但表面粗糙,粒径减小到3-5μm。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:类蛋黄结构掺氮镍锰酸锂有利于锂离子的快速传输,且增大了活性物质与电解液的接触面积,同时氮掺杂有利于稳定晶体结构,作为锂离子电池正极材料表现出优秀的倍率性能和循环性能。
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