CN114005977A - 一种高能量密度超导锂离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种高能量密度超导锂离子电池正极材料及其制备方法。所述正极材料是通过共沉淀法合成掺杂前驱体，然后将掺杂前驱体与锂源在稀土添加剂的作用下进行一次高温烧结，再经过金属氧化物包覆后进行二次烧结制备获得；所述掺杂前驱体的为Co3M1‑XO4，0.01≤X≤0.02，所述M为Mg、Ti、Zr、Mg、Al中的一种或多种；所述稀土添加剂为La、Ce、Pr、Nd、Y、Gd、Sc氧化物中的一种或几种混合物；所述金属氧化物为Ti、Al、Zr氧化物中的一种或几种。该正极材料通过在原子级别元素掺杂，并通过稀土掺杂和包覆等步骤获得，具有倍率性能好、能量密度高和超导性。

Description

一种高能量密度超导锂离子电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种高能量密度超导锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
自锂离子电池商业化以来，主要应用领域集中在以3C产品为主的便携式电子产品上。然而，随着小型电动工具、电子烟、启动电源以及新能源车的迅速发展，不仅对锂离子电池的能量密度，同时对其倍率性能也有了进一步要求。
正极材料是锂离子电池的关键组成部分，是阻碍锂离子电池能量密度提高的瓶颈，同时，也是电池能否大倍率充放电的重要决定因素。在现有技术中，专利CN102088087A公开了一种掺杂稀土元素的锂离子正极材料，采用稀土元素对锰酸锂进行掺杂改性，改性后循环性能得到了大幅提高，但是首次放电比容量较低；专利CN201310397441公开了一种三元正极材料的改性方法，采用稀土元素对三元材料进行包覆改性。上述掺杂包覆的正极材料虽然电学性能有所改善，但是材料的能量密度低，当充电至较高的电压时，材料晶体结构易被破坏，
发明内容
为了使材料发挥出更高的比容量，可以提高材料的充电截止电压，进而提高材料的体积能量密度，本发明从前驱体制备入手，先将掺杂元素与可溶性钴盐进行原子级别混合，然后再进行共沉淀反应使掺杂目标元素更准确、更均匀的进入材料对应的晶体结构，并通过在缓冲液中加入异丙醇、异丁醇、异戊醇等其中的一种作为阻隔剂抑制一次颗粒的长大从而确保前驱体具有较小的一次粒径以及一定的孔隙度，进而提升锂离子的脱嵌速度改善其大倍率性能，再通过掺杂稀土元素进行一次烧结，经包覆处理及二次烧结后，低游离锂的含量，高稳定结构的一种高能量密度、超导锂离子正极材料。
针对上述目的，本发明实施例提供了一种高能量密度超导锂离子电池正极材料，所述正极材料是通过共沉淀法法合成掺杂前驱体，然后将所述掺杂前驱体与锂源在稀土添加剂的作用下进行一次高温烧结，再经过金属氧化物包覆后进行二次烧结制备获得；
所述掺杂前驱体的为Co3M1-XO4，其中0.01≤X≤0.02，所述M为掺杂元素，具体为Mg、Ti、Zr、Mg、Al中的一种或多种；
所述稀土添加剂为La、Ce、Pr、Nd、Y、Gd、Sc氧化物中的一种或几种混合物；
所述金属氧化物为Ti、Al、Zr氧化物中的一种或几种。
进一步的，所述掺杂前驱体的粒径为3-8μm，比表面积为1-10m2/g。
进一步的，所述稀土添加剂的添加量为正极材料的0.01％-0.5％。
进一步的，所述金属氧化物的添加量为正极材料的0.02-0.5％。
进一步的，所述正极材料的压实密度大于等于3.4g/cm3，在4.35V截止电压的首次可逆容量大于等于170mAh/g，在4.4V截止电压的首次可逆容量大于等于175mAh/g。
基于同一发明构思的，本发明实施例还提供了一种高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1：将含有掺杂元素的钴源溶液、沉淀剂溶液和缓冲液混合进行共沉淀反应后，经压滤将滤渣进行焙烧并破碎获得掺杂前驱体；
S2：将所述掺杂前驱体、锂源和稀土添加剂进行高效混料后，进行一次烧结获得稀土掺杂基体；
S3：将所述稀土掺杂基体和金属氧化物混料包覆后，进行二次烧结获得高能量密度超导锂离子电池正极材料。
进一步的，所述含有掺杂元素的钴源溶液为含有Mg、Ti、Zr、Mg、Al中的一种或多种可溶性盐的CoSO4或者CoCl2溶液；所述钴源溶液的浓度为0.2-12mol/L。
进一步的，所述沉淀剂溶液为Na2CO3或NaOH水溶液，浓度为0.3-18mol/L。
进一步的，所述缓冲液为添加阻隔剂的氨水溶液，所述阻隔剂为异丙醇、异丁醇、异戊醇、异丙醇氨、异丙醇钠或羧甲基纤维素钠中的任意一种；所述阻隔剂浓度为0.001-0.05mol/L。
进一步的，所述锂源为LiOH、Li2CO3或者二者的混合物，所述步骤S2中，锂源与掺杂前驱体的比例为n(Li):n(Co)＝1:1～1.2:1。
进一步的，所述步骤S1中共沉淀反应的条件为：
反应温度为40-100℃，pH为8.0-11.5；反应时间为5-60h。
进一步的，所述步骤S1中焙烧过程的条件为：
焙烧温度为600-1000℃，焙烧时间为5-20h。
进一步的，所述步骤S2中一次烧结的温度为850-1000℃，烧结时间为6-25h。
进一步的，所述步骤S3中二次烧结的温度为800-950℃，烧结时间为6-20h。
有益效果：
(1)本发明的高能量密度超导锂离子电池正极材料通过前驱体掺杂稳定锂离子脱出后材料结构及共沉淀过程加入合适阻隔剂细化晶体一次颗粒，确保锂离子迁移路径更短效率更高从而实现锂离子的超速传导。使用该正极材料制备的锂离子电池的充电截止电压≥4.35V，其35C大倍率放电效率≥80％。
(2)本发明正极材料的制备过程中，先将掺杂元素与可溶性钴盐进行原子级别混合，然后再进行共沉淀反应使掺杂目标元素更准确、更均匀的进入材料对应的晶体结构中，同时通过在缓冲液中加入异丙醇作为阻隔剂确保产品一次粒径大小以及孔隙度，进而提升锂离子的脱嵌速度改善其大倍率性能。再进行稀土元素掺杂，最后采用金属氧化物进行包覆处理，降低表面游离锂的含量，稳定高电压大倍率条件下的材料活性得到一种高能量密度、超导锂离子正极材料。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的掺杂前驱体的SEM图；
图2为本发明实施例1提供的高能量密度超导锂离子电池正极材料的SEM图；
图3为本发明实施例1和对比例1获得正极材料组装成扣式电池的充放电曲线图。
具体实施方式
为了更加清楚阐述本发明的技术内容，在此结合具体实施例和附图予以详细说明，显然，所列举的实施例只是本技术方案的优选实施方案，本领域的技术人员可以根据所公开的技术内容显而易见地得出的其他技术方案仍属于本发明的保护范围。
在本发明实施例中，采用的化学试剂均为分析级的试剂，通过购买或现有方法制备获得。
实施例1
步骤一：制备掺杂前驱体
将硫酸铝、硫酸钴配成0.4mol/L的混合溶液A，将氢氧化钠配置成浓度为1.5mol/L的混合溶液B，向浓度为2.0mol/L的氨水中加入异丙醇配置成混合溶液C，再将A、B、C三者进行共沉淀反应，反应温度度保持在40-100℃，pH控制在8.0-11.5之间，得到目标前驱体中间产物，压滤，然后在800℃炉中焙烧10小时，破碎控制粒径3.5-5μm。
步骤二：稀土掺杂基体
将电池级碳酸锂和步骤一获得的掺杂前驱体为原料，按照比例为摩尔比n(Li)：n(Co)＝1.02:1，并加入前驱体重量的0.1％的稀土氧化铈进行高效混料，混料完成后在950℃下烧结12小时，破碎、制粉得掺杂铈的基体。
步骤三：二氧化钛包覆
将步骤二获得的掺杂铈基体，以其质量百分比0.3％加入二氧化钛包覆，920℃烧结8小时，破碎过筛获得高能量密度超导锂离子电池正极材料。
实施例2
步骤一：制备掺杂前驱体
将硫酸铝、硫酸钴配成0.4mol/L的混合溶液A，将氢氧化钠配置成浓度为1.5mol/L的混合溶液B，向浓度为2.0mol/L的氨水中加入异丙醇配置成混合溶液C，再将A、B、C三者进行共沉淀反应，反应温度度保持在40-100℃，pH控制在8.0-11.5之间，得到目标前驱体中间产物，压滤，然后在800℃炉中焙烧10小时，破碎控制粒径3.5-5μm。
步骤二：稀土掺杂基体
将电池级碳酸锂和步骤一获得的掺杂前驱体为原料，按照比例为摩尔比n(Li)：n(Co)＝1.02:1，并加入前驱体重量的0.1％的稀土氧化铈进行高效混料，混料完成后在950℃下烧结12小时，破碎、制粉得掺杂铈的基体。
步骤三：二氧化钛包覆
将步骤二获得的掺杂铈基体，以其质量百分比0.3％加入二氧化钛包覆，920℃烧结8小时，破碎过筛获得高能量密度超导锂离子电池正极材料。
对比例1
直接以直接以四氧化三钴、碳酸锂为原料，按摩尔比n(Li)：n(Co)＝1.02:1，其余同实施例1中步骤二、三。
对比例2
以四氧化三钴、碳酸锂为原料，按摩尔比n(Li)：n(Co)＝1.02:1，同时掺入与实施例一步骤1中相同量的Al元素，其余制作步骤同实施例1中步骤二、三。
将实施例1获得的掺杂前驱体和高能量密度超导锂离子电池正极材料采用扫描电镜观测其微观结构，具体详见图1、2的SEM图。从电镜图1可知，该前驱体具有较好的孔隙度及细长的一次颗粒。从产品电镜图2可以看出，经该前驱体制备的产品具有一次颗粒小且大小均匀的特点，该形貌特征为锂离子的超导提供了基础条件。
将实施例1和对比例2获得的正极材料制成锂离子电池正极片，具体方法为：采用NMP作为溶剂，按活性物质∶超导炭黑(SP)∶聚偏氟乙烯(PVDF)＝94∶3∶3(质量比)配制成固含量为68％的浆料通过拉浆机均匀涂覆于Al箔上，然后真空干燥24h。负极采用去离子水作为溶剂，按石墨∶超导炭黑(SP)∶丁苯橡胶(SBR)∶羧甲基纤维素钠(CMC)＝94∶2∶2∶2(质量比)配制成固含量为50％的浆料，均匀涂覆于Cu箔上，然后真空干燥24h。电解液为1mol/L的LiPF6溶液，溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合溶剂，三者的体积比为1∶1∶1。扣式电池的负极使用锂片，正极使用本发明所述的极片。在氩气保护的手套箱内将正极、负极、电解液、隔膜与电池壳组装成扣式电池。以实施例1和对比例2为例，在扣式电池测试中以0.2C充/放电，充电截止电压4.40V，截止电流0.02C，放电截止电压3.0V测试其，二者的首次充放电曲线见图3。由此可知，本发明在前驱体制备阶段掺杂目标元素的正极材料具有更好的克容量。
以实施例1和对比例1获得的正极材料组装获得的全电池为例，测定其常温放电效率、低温放电效率和20C大倍率300周循环保持率，结果如表1所示。
表1电池电学性能数据表
Figure BDA0003339471110000071
由表1可知，通过本发明方案制得高能量密度超导锂离子电池正极材料具有更高的大倍率放电性能以及优秀的大倍率循环性能。
以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种高能量密度超导锂离子电池正极材料，其特征在于，所述正极材料是通过共沉淀法法合成掺杂前驱体，然后将所述掺杂前驱体与锂源在稀土添加剂的作用下进行一次高温烧结，再经过金属氧化物包覆后进行二次烧结制备获得；
所述掺杂前驱体的为Co3M1-XO4，其中0.01≤X≤0.02，所述M为掺杂元素，具体为Mg、Ti、Zr、Mg、Al中的一种或多种；
所述稀土添加剂为La、Ce、Pr、Nd、Y、Gd、Sc氧化物中的一种或几种混合物；
所述金属氧化物为Ti、Al、Zr氧化物中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料，其特征在于，所述掺杂前驱体的粒径为3-8μm，比表面积为1-10m2/g。
3.根据权利要求1所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料，其特征在于，所述稀土添加剂的添加量为正极材料的0.01％-0.5％。
4.根据权利要求1所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料，其特征在于，所述金属氧化物的添加量为正极材料的0.02-0.5％。
5.根据权利要求1所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料，其特征在于，所述正极材料的压实密度大于等于3.4g/cm3，在4.35V截止电压的首次可逆容量大于等于170mAh/g，在4.4V截止电压的首次可逆容量大于等于175mAh/g。
6.一种高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1：将含有掺杂元素的钴源溶液、沉淀剂溶液和缓冲液混合进行共沉淀反应后，经压滤将滤渣进行焙烧并破碎获得掺杂前驱体；
S2：将所述掺杂前驱体、锂源和稀土添加剂进行高效混料后，进行一次烧结获得稀土掺杂基体；
S3：将所述稀土掺杂基体和金属氧化物混料包覆后，进行二次烧结获得高能量密度超导锂离子电池正极材料。
7.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述含有掺杂元素的钴源溶液为含有Mg、Ti、Zr、Mg、Al中的一种或多种可溶性盐的CoSO4或者CoCl2溶液；所述钴源溶液的浓度为0.2-12mol/L。
8.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂溶液为Na2CO3或NaOH水溶液，浓度为0.3-18mol/L。
9.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述缓冲液为添加阻隔剂的氨水溶液，所述阻隔剂为异丙醇、异丁醇、异戊醇、异丙醇氨、异丙醇钠或羧甲基纤维素钠中的任意一种；所述阻隔剂浓度为0.001-0.05mol/L。
10.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源为LiOH、Li2CO3或者二者的混合物，所述步骤S2中，锂源与掺杂前驱体的比例为n(Li):n(Co)＝1:1～1.2:1。
11.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中共沉淀反应的条件为：
反应温度为40-100℃，pH为8.0-11.5；反应时间为5-60h。
12.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中焙烧过程的条件为：
焙烧温度为600-1000℃，焙烧时间为5-20h。
13.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中一次烧结的温度为850-1000℃，烧结时间为6-25h。
14.根据权利要求6所述的高能量密度超导锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中二次烧结的温度为800-950℃，烧结时间为6-20h。
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