CN114162882A - 一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体及其无钴单晶正极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体及其无钴单晶正极材料的制备方法，直接采用镍、锰金属单质纳米粉末和助熔剂为原料，固相烧结得到纳米级无钴单晶正极材料前驱体，该前驱体的化学表达式为NiaMnbO2，其中0.70≤a≤0.95，0.05≤b≤0.30，a+b＝1，助熔剂为氧化锶，占前躯体总质量的质量分数为0.1wt％～2wt％；再将上述前驱体与氧化锂混合烧结，得到无钴单晶正极材料。本发明避免了金属氢氧化物或金属碳酸盐作为原料时产生水汽或二氧化碳的现象，更加绿色环保；此方法制备的小粒径前驱体具有晶体结构完整性好、循环性较好、工艺操作简单、可以连续化生产。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体及其无钴单晶正极材料的制备方法。
背景技术
目前商业化锂离子电池三元正极材料的普遍为二次颗粒和单晶颗粒，相比前者，单晶颗粒具有机械强度高、结构稳定不易开裂以及高电压下具有高容量和长循环特性等优点，这些优点的实现主要取决于三元前驱体的结构，所以性能优异的前驱体对三元材料来说至关重要。因此，前驱体的结构设计，可以从根本上提高单晶三元材料的稳定性、容量和循环特性等。
目前市面上较普遍为含钴单晶三元前驱体，但随着钴价格的上涨和资源短缺，提供一种无钴单晶正极材料前驱体的制备方法是本领域技术员亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体及其无钴单晶正极材料的制备方法，直接采用镍、锰金属单质纳米粉末和助熔剂为原料，固相烧结得到纳米级无钴单晶正极材料前驱体，该小粒径前驱体晶体结构完整性好、循环性较好、工艺操作简单、可以连续化生产；利用此前驱体所制备的无钴单晶正极材料在高电压下也能够获得高容量和长循环特性，同时显著改善了电池的倍率性能等。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：
S1)将镍、锰金属单质纳米粉末和助熔剂按比例混合分散；
S2)将分散均匀后的物料在含氧气氛下进行烧结；
S3)将第一次烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎、过筛，即可获得纳米级无钴单晶正极材料前驱体；
前驱体化学表达式为NiaMnbO2，其中0.70≤a≤0.95，0.05≤b≤0.30，a+b＝1。
在一个或多个实施例中，步骤S1)中镍、锰源为镍、锰金属纳米单质，助熔剂为氧化锶。
在一个或多个实施例中，步骤S1)中Ni：Mn的摩尔比为(0.70～0.95)：(0.05～0.30)，助熔剂质量占镍、锰金属单质粉末总质量的0.1wt％～2wt％。
在一个或多个实施例中，步骤S2)中所述含氧气氛包括空气、高纯氧气(氧浓度≥95％)中的至少一种。
在一个或多个实施例中，步骤S2)中步骤S2)中烧结温度曲线，在含氧气氛中进行，以5～10℃/min的升温速率从室温升至700～960℃，保温6～22h。
在一个或多个实施例中，步骤S3)中所述前驱体的晶体结构完整性好。
在一个或多个实施例中，步骤S3)中所述前驱体，其特征在于，D50粒度在100-900nm之间。
作为本发明的另一项发明目的，本发明还提供了一种无钴单晶正极材料的制备方法，是通过将上述前驱体与氧化锂，在氧气气氛中，在700～920℃下烧结而成。其典型特征为，形貌均一，尺寸规则。
在一个或多个实施例中，前驱体与氧化锂的摩尔比为1：(1.02～1.15)
本发明主要有以下有益效果：
本发明提供了一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体及其无钴单晶正极材料的制备方法，直接采用镍、锰金属单质纳米粉末和助熔剂为原料，得到的小粒径的前驱体，晶体结构完整性好、循环性较好、工艺操作简单、可以连续化生产；此方法避免了金属氢氧化物或金属碳酸盐作为原料时产生水汽或二氧化碳的现象，更加绿色环保；利用此前驱体所制备的无钴单晶正极材料在高电压下也能够获得高容量和长循环特性，同时显著改善了电池的倍率性能等。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种无钴单晶正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纳米级无钴单晶正极材料前驱体的制备
将镍和锰金属单质纳米粉末按照摩尔比依次为0.7：0.3称取，将氧化锶按照氧化锶的质量占镍和锰金属单质纳米粉末总质量的0.1wt％称取，将镍、锰金属单质纳米粉末以及氧化锶加入到高速混料机中混合，以混料频率50Hz混合25min。将分散均匀后的物料在第一温度曲线、含氧气氛下进行烧结，以5℃/min的升温速率从室温升至960℃，保温6h。将烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎和过筛，得到纳米级无钴单晶正极材料前驱体，纳米级无钴单晶正极材料前驱体的D50粒度为100nm。
(2)纳米级无钴单晶正极材料的制备
将本实施例得到的纳米级无钴单晶正极材料前驱体与氧化锂混合分散均匀，纳米级无钴单晶正极材料前驱体与氧化锂的摩尔比为1：0.95，将分散均匀后的物料在第二温度曲线、含氧气氛下进行烧结，以8℃/min的升温速率从室温升至920℃，保温18h。将烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎和过目筛，得到纳米级无钴单晶正极材料Li0.95Ni0.70Mn0.30O2。
实施例2
一种无钴单晶正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纳米级无钴单晶正极材料前驱体的制备
将镍、锰金属单质纳米粉末按照摩尔比依次为0.8：0.2称取，将氧化锶按照氧化锶的质量占镍、锰金属单质纳米粉末总质量的1.5wt％称取，将镍、锰金属单质纳米粉末以及氧化锶加入到高速混料机中混合，以混料频率60Hz混合15min。将分散均匀后的物料在第一温度曲线、含氧气氛下进行烧结，以10℃/min的升温速率从室温升至920℃，保温8h。将烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎和过筛，得到纳米级无钴单晶正极材料前驱体，纳米级无钴单晶正极材料前驱体的D50粒度为500nm。
(2)纳米级无钴单晶正极材料的制备
将本实施例得到的纳米级无钴单晶正极材料前驱体与氧化锂混合分散均匀，纳米级无钴单晶正极材料前驱体与氧化锂的摩尔比为1：1.05，将分散均匀后的物料在第二温度曲线、含氧气氛下进行烧结，以5℃/min的升温速率从室温升至840℃，保温18h。将烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎和过目筛，得到纳米级无钴单晶正极材料Li1.05Ni0.80Mn0.20O2。
实施例3
一种无钴单晶正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纳米级无钴单晶正极材料前驱体的制备
将镍、锰金属单质纳米粉末按照摩尔比依次为0.95：0.05称取，将氧化锶按照氧化锶的质量占镍和锰金属单质纳米粉末总质量的2wt％称取，将镍和锰金属单质纳米粉末以及氧化锶加入到高速混料机中混合，以混料频率20Hz混合30min。将分散均匀后的物料在第一温度曲线、含氧气氛下进行烧结，以6℃/min的升温速率从室温升至700℃，保温24h。将烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎和过筛，得到纳米级无钴单晶正极材料前驱体，纳米级无钴单晶正极材料前驱体的D50粒度为900nm。
(2)纳米级无钴单晶正极材料的制备
将本实施例得到的纳米级无钴单晶正极材料前驱体与氧化锂混合分散均匀，纳米级无钴单晶正极材料前驱体与氧化锂的摩尔比为1：1.15，将分散均匀后的物料在第二温度曲线、含氧气氛下进行烧结，以10℃/min的升温速率从室温升至700℃，保温22h。将烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎和过目筛，得到纳米级无钴单晶正极材料Li1.15Ni0.95Mn0.05O2。
对比例1
按摩尔比为1：0.95将前驱体Ni0.70Mn0.30(OH)2与碳酸锂混合加入高速混料机，进行充分混合，混料频率50Hz，混料时间为25min，即得原料混合物；将混合后的物料在空气气氛下继续烧结，先从室温升至500℃，保温10h；然后升温至920℃，保温21h，自然冷却至室温，取出粉体，经破碎、过筛，即得对比例样品1。
对上述实施例样品1-3及对比例样品1进行2025扣电制作测试，测试电压条件(3.0～4.3)V，倍其结果如下表所示。
结果表明，直接采用镍、锰金属单质纳米粉末和助熔剂为原料，得到的小粒径的前驱体，利用此前驱体所制备的无钴单晶正极材料在高电压下表现出高容量和长循环特性，同时显著改善了电池的倍率性能等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种纳米级无钴单晶正极材料前驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)将镍、锰金属单质纳米粉末和助熔剂按比例混合分散；
S2)将分散均匀后的物料在含氧气氛下进行烧结；
S3)将第一次烧结后的物料自然冷却至室温，经过破碎、过筛，即可获得纳米级无钴单晶正极材料前驱体；
所述前驱体化学表达式为NiaMnbO2，其中0.70≤a≤0.95，0.05≤b≤0.30，a+b＝1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1)中镍、锰源为镍、锰金属纳米单质，助熔剂为氧化锶。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1)中Ni：Mn的摩尔比为(0.70～0.95)：(0.05～0.30)，助熔剂质量占镍、锰金属单质粉末总质量的0.1wt％～2wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中所述含氧气氛包括空气、高纯氧气(氧浓度≥95％)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中步骤S2)中烧结温度曲线，在含氧气氛中进行，以5～10℃/min的升温速率从室温升至700～960℃，保温6～22h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3)中所述前驱体的晶体结构完整性好。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3)中所述前驱体，其特征在于，D50粒度在100-900nm之间。
8.一种无钴单晶正极材料的制备方法，其特征在于，通过将权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的前驱体与氧化锂，在氧气气氛中，在700～920℃下烧结而成。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，前驱体与氧化锂的摩尔比为1：
(1.02～1.15)。
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