CN114314696A - 掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法、制得的前驱体、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,涉及镍钴锰三元前驱体技术领域,包括以下步骤:S1、将镍源、钴源、锰源、锆源和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合,加入溶剂进行搅拌溶解;S2、将溶液后的溶液加热反应形成纳米实心胶体,再进行奥氏熟化,冷却至室温后清洗、烘干,得到掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体。本发明还提供采用上述制备方法制得的三元前驱体及其应用。本发明的有益效果在于:本发明制备过程中无需对反应体系的pH值进行调节,制备方法简单、原料丰富、能耗低、生产工艺安全可靠、生产成本低,易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及镍钴锰三元前驱体技术领域,具体涉及掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法、制得的前驱体、应用。
背景技术
商用的三元材料一般都是通过共沉淀法合成,但是共沉淀合成的二次粒子在长循环过程中面临着颗粒内部微裂纹不断扩展、进而粉化的问题。其中导致微裂纹扩展的一个很重要诱因就是材料在脱嵌锂过程中的体积变化。一般,三元材料镍含量越高,体积变化越大。高镍三元材料,较多的Ni2+很容易迁移到锂层,形成较严重的阳离子混排。因此为了提高循环稳定性,减少材料在脱嵌锂过程中的体积变化就显得尤为迫切。目前最为常见的工艺是掺杂工艺,即掺入Zr元素稳定材料晶格,此外另一种正在研究的减少体积变化方法是设计纳米中空结构,即在合成过程中调控动力学参数,使得实心结构转变为中空。
现有技术中常通过在混锂烧结时添加少量的乙酸锆以改善材料循环稳定性,能够有效抑制在充放电过程中过渡金属离子与锂离子的混排,如公开号为CN113258061A的专利将具有中空结构的前驱体二次颗粒进行反应,使2~3颗前驱体二次颗粒形成聚集体形态的前驱体,与Li源混合,经负压烧结得到三元正极材料。但是,由于添加剂加入量相较于主体物质非常少,混合均匀较困难,会影响其作用效果;另外,设计纳米中空结构常需复杂的退火工艺,不易于生产。因此,研发人员通过在镍钴锰三元前驱体制备过程中添加锆元素,如公开号为CN112909260A的专利申请的三元正极材料前驱体制备过程中加入含有镍、钴、锰、锆的混合金属盐溶液,烧结后制得的前驱体呈空心结构,但制备过程需要多次调解反应体系的pH值,制备过程繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备方法简单的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法、制得的三元前驱体极其应用,具有较高的放电比容量和优良的循环稳定性。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题:
掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,包括以下步骤:
S1、将镍源、钴源、锰源、锆源和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合,加入溶剂进行搅拌溶解;
S2、将溶液后的溶液加热反应形成纳米实心胶体,再进行奥氏熟化,冷却至室温后清洗、烘干,得到掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体。
有益效果:本发明制备过程中无需对反应体系的pH值进行调节,制备方法简单、原料丰富、能耗低、生产工艺安全可靠、生产成本低,易于规模化生产。
本发明在前驱体反应阶段将锆源与镍源、钴源、锰源混合溶解,达到原子级混合,从而有效发挥Zr掺杂所带来的材料性能改善,一方面,部分Zr的掺入能稳定材料晶格,能有效抑制在充放电过程中过渡金属离子与锂离子的混排;另一方面,部分的Zr参与正极材料表面上1-2nm厚的包覆层化合物的形成,这能有效缓解材料与电解质的界面副反应。
本发明中制备的纳米中空型前驱体结构,镍钴锰源以及锆源溶解后达一定饱和度进行成核结晶,初期形成的纳米实心胶体在奥氏熟化过程中逐步形成中空内腔,有利于缓冲电池充放电过程中正极材料由于锂离子脱嵌产生的体积变化,提高材料循环稳定性,且具有较高的放电比容量。
优选地,所述S1中,所述镍源为硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍中的一种以上,所述钴源为硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴中的一种以上,所述锰盐为硫酸锰或乙酸锰中的一种以上,所述锆源为硫酸锆或乙酸锆中的一种或两种。
优选地,所述S1中,所述镍源、钴源、锰源、锆源与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为100~500:25~300:30~300:0.5~10:250~1000;其中,镍源中Ni元素、钴源中Co元素与锰源中Mn元素的摩尔比为8:0.5~1:1~1.5,所述溶剂为DMF。
优选地,所述S2中,溶液加热反应形成纳米实心胶体时的反应温度为180~220℃,反应时间为6~8h。
优选地,所述S2中,奥氏熟化是在纳米实心胶体反应结束后,升温至280~300℃反应3~5h,升温速度为2℃/min。
采用上述制备方法制得的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体。
有益效果:制得的前驱体中掺入的Zr能稳定材料晶格,能有效抑制在充放电过程中过渡金属离子与锂离子的混排;另一方面,正极材料表面上形成1-2nm厚的包覆层化合物,这能有效缓解材料与电解质的界面副反应。
本发明中制备的纳米中空型前驱体结构有利于缓冲电池充放电过程中正极材料由于锂离子脱嵌产生的体积变化,提高材料循环稳定性。
采用上述制备方法制得的三元前驱体在制备三元正极材料中的应用,包括以下步骤:将三元前驱体与碳酸锂混合,研磨混合后压紧,在氧气气氛下煅烧,煅烧结束后,在氧气气氛保护下冷却至室温,研磨,得到三元正极材料。
有益效果:本发明三元正极材料的制备方法简单,得到的三元正极材料具有较高的放电比容量和优良的循环稳定性。
优选地,所述三元前驱体与碳酸锂的质量比为1:1.02~1.05,混合研磨20~30分钟后在放进匣砵压紧,在氧气氛下进行煅烧,500~550℃煅烧4~5个小时,800~850℃煅烧10~12个小时。
采用上述制备方法制得的三元前驱体在制备锂离子电池极片中的应用,包括以下步骤:
(1)将三元前驱体与碳酸锂混合,研磨混合后压紧,在氧气气氛下煅烧,煅烧结束后,在氧气气氛保护下冷却至室温,研磨,得到三元正极材料;
(2)将三元正极材料、导电剂和粘结剂混合制备浆料,将浆料涂布于集流体上,经干燥、辊压、干燥,制得锂离子电池正极极片。
有益效果:本发明锂离子电池正极极片的制备方法简单,得到的锂离子电池正极极片具有较高的放电比容量和优良的循环稳定性。
优选地,所述导电剂为炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种以上,所述粘结剂为PVDF;所述三元正极材料、导电剂和粘结剂的质量比为0.5~10:70~97.5:1~10:1~10,且浆料的固含量为50~70%。
本发明的优点在于:本发明在前驱体反应阶段将锆源与镍源、钴源、锰源混合溶解,达到原子级混合,从而有效发挥Zr掺杂所带来的材料性能改善,一方面,部分Zr的掺入能稳定材料晶格,能有效抑制在充放电过程中过渡金属离子与锂离子的混排;另一方面,部分的Zr参与正极材料表面上1-2nm厚的包覆层化合物的形成,这能有效缓解材料与电解质的界面副反应。
本发明中制备的纳米中空型前驱体结构,镍钴锰源以及锆源溶解后达一定饱和度进行成核结晶,初期形成的纳米实心胶体在奥氏熟化过程中逐步形成中空内腔,有利于缓冲电池充放电过程中正极材料由于锂离子脱嵌产生的体积变化,提高材料循环稳定性,且具有较高的放电比容量。
本发明三元正极材料、锂离子电池正极极片的制备方法简单,得到的产物具有较高的放电比容量和优良的循环稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1和对比例1制备的电池在1C下的50次循环曲线图;
图2为本发明实施例1中三元正极材料的电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,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。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者,均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
三元前驱体、三元正极材料、锂离子电池正极极片的制备,具体包括以下步骤:
S1、将乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按照质量比为400:50:50:1:850混合,加入DMF溶剂进行搅拌,使其全部溶解,然后转移至反应釜内;
S2、将密封反应釜放入烘箱中,设定反应温度为200℃,反应7h后得到纳米实心胶体,然后进行奥氏熟化,升温至300℃反应4h,升温速度为2℃/min,冷却至室温用去离子水和乙醇将釜底沉淀洗涤干净,120℃烘干得到纳米中空结构的三元前驱体;
S3、将制得的三元前驱体与碳酸锂(Li2CO3)混合,二者质量比为1:1.02,研磨混合20分钟后再放进匣砵压紧,在氧气氛下进行煅烧,550℃煅烧4个小时,850℃煅烧10个小时,反应结束后,在氧气氛保护下冷却至室温,在坩埚研磨得到三元正极材料产物;
S4、将三元正极材料产物、导电剂炭黑和粘结剂PVDF按照质量比为5:93:1:1进行混合制备浆料,控制浆料的固含量为66%,然后将浆料涂布于铝箔集流体上,经干燥,辊压,80℃下真空干燥12h得到锂离子电池正极极片,控制极片压实密度为3.2g/cm3。
实施例2
本实施例与实施例1的区别之处在于:
S1中,乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为400:50:50:1.1:800;
S2中,设定反应温度为210℃,反应6h后得到纳米实心胶体,然后进行奥氏熟化,升温至300℃反应3h。
其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别之处在于:
S1中,乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为400:50:50:1.2:750;
S2中,设定反应温度为190℃,反应7h后得到纳米实心胶体,然后进行奥氏熟化,升温至290℃反应4h。
其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别之处在于:
S1中,乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为400:50:50:1.3:800;
S2中,设定反应温度为220℃,反应6h后得到纳米实心胶体,然后进行奥氏熟化,升温至280℃反应4h。
其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别之处在于:
S1中,乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为400:50:50:1.4:750;
S2中,设定反应温度为180℃,反应7h后得到纳米实心胶体,然后进行奥氏熟化,升温至290℃反应5h。
实施例6
本实施例与实施例1的区别之处在于:
S1中,乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为100:25:30:0.5:250。
其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别之处在于:
S1中,乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比为500:300:300:10:1000。
其余均与实施例1相同。
对比例1
S1、将乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按照质量比为400:50:50:850混合,加入DMF溶剂进行搅拌,使其全部溶解,然后转移至反应釜内;
S2、将密封反应釜放入烘箱中,设定反应温度为200℃,反应7h后,冷却至室温用去离子水和乙醇将釜底沉淀洗涤干净,120℃烘干,得到对比例1前驱体;
S3、将制得的三元前驱体与碳酸锂(Li2CO3)混合,二者质量比为1:1.02,研磨混合20分钟后再放进匣砵压紧,在氧气氛下进行煅烧,550℃煅烧4个小时,850℃煅烧10个小时,反应结束后,在氧气氛保护下冷却至室温,在坩埚研磨得到三元正极材料产物;
S4、将三元正极材料产物、导电剂炭黑和粘结剂PVDF按照质量比为5:93:1:1进行混合制备浆料,控制浆料的固含量为66%,然后将浆料涂布于铝箔集流体上,经干燥,辊压,80℃下真空干燥12h得到锂离子电池正极极片,控制极片压实密度为3.2g/cm3。
图2为本发明实施例1中三元正极材料的电镜图,可以看出,初期形成的纳米实心胶体在奥氏熟化过程中逐步形成中空内腔。
分别将实施例1和对比例1中制备的正极极片作为正极,负极为石墨,电解液为1mol/L LiPF6(溶质)/EC+DEC+EMC(溶剂),按照N/P比为1.15,组装成单片软包电池,并测试其电化学性能。其中,实施例1和对比例1的1C下50周循环曲线见图1。
从图1中可以看出,实施例1电池首次放电比容量超过190mAh/g,循环50次后,放电比容量176mAh/g,实施例1中的容量保持率优于对比例1。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、将镍源、钴源、锰源、锆源和聚乙烯吡咯烷酮混合,加入溶剂进行搅拌溶解;
S2、将溶液后的溶液加热反应形成纳米实心胶体,再进行奥氏熟化,冷却至室温后清洗、烘干,得到掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体。
2.根据权利要求1所述的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,其特征在于:所述S1中,所述镍源为硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍中的一种以上,所述钴源为硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴中的一种以上,所述锰源为硫酸锰或乙酸锰中的一种以上,所述锆源为硫酸锆或乙酸锆中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,其特征在于:所述S1中,所述镍源、钴源、锰源、锆源与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为100~500:25~300:30~300:0.5~10:250~1000;其中,镍源中Ni元素、钴源中Co元素与锰源中Mn元素的摩尔比为8:0.5~1:1~1.5,所述溶剂为DMF。
4.根据权利要求1所述的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,其特征在于:所述S2中,溶液加热反应形成纳米实心胶体时的反应温度为180~220℃,反应时间为6~8h。
5.根据权利要求1所述的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体的制备方法,其特征在于:所述S2中,奥氏熟化是在纳米实心胶体反应结束后,升温至280~300℃反应3~5h,升温速度为2℃/min。
6.采用权利要求1-5中任一项所述的制备方法制得的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体。
7.采用权利要求1-5中任一项所述的制备方法制得的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体在制备三元正极材料中的应用,其特征在于:包括以下步骤:将掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体与碳酸锂混合,研磨混合后压紧,在氧气气氛下煅烧,煅烧结束后,在氧气气氛保护下冷却至室温,研磨,得到三元正极材料。
8.根据权利要求7所述的在制备三元正极材料中的应用,其特征在于:所述掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体与碳酸锂的质量比为1:1.02~1.05,混合研磨20~30分钟后在放进匣砵压紧,在氧气氛下进行煅烧,500~550℃煅烧4~5个小时,800~850℃煅烧10~12个小时。
9.采用权利要求1-5中任一项所述的制备方法制得的掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体在制备锂离子电池极片中的应用,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将掺杂型纳米中空结构镍钴锰三元前驱体与碳酸锂混合,研磨混合后压紧,在氧气气氛下煅烧,煅烧结束后,在氧气气氛保护下冷却至室温,研磨,得到三元正极材料;
(2)将三元正极材料、导电剂和粘结剂混合制备浆料,将浆料涂布于集流体上,经干燥、辊压、干燥,制得锂离子电池正极极片。
10.根据权利要求9所述的在制备锂离子电池极片中的应用,其特征在于:所述导电剂为炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种以上,所述粘结剂为PVDF;所述三元正极材料、导电剂和粘结剂的质量比为0.5~10:70~97.5:1~10:1~10,且浆料的固含量为50~70%。
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