CN115832471A - 一种改性正极补锂添加剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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杨雪
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Abstract

本发明提出一种改性正极补锂添加剂及其制备方法和应用,属于锂离子电池材料技术领域,能够解决现有提高补锂剂导电性和空气稳定性所采用的方法制备过程繁琐、能耗高的问题。该改性正极补锂添加剂包括金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体和包覆于所述金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体外表面的碳硫复合包覆层,其中,所述碳硫复合包覆层的厚度1‑20nm,所述碳硫复合包覆层中硫和碳均匀分布,且硫含量为0.01‑0.5wt%,碳含量为0.1‑5wt%。本发明改性正极补锂添加剂制备方法简单,低温制备,能耗低,普适性广,能够应用于制备锂离子电池的正极,提高电池首效和整体电化学性能。

Description

一种改性正极补锂添加剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于锂离子电池材料技术领域,尤其涉及一种改性正极补锂添加剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着锂离子电池技术的不断发展,现有商业化锂离子电池体系(正极-石墨-液态电解质)下的性能开发几乎到了极限,能量密度的提升仍然是未来电池发展的重中之重。众所周知,锂离子电池在首周循环过程中,负极SEI膜的形成会消耗约7-10%的活性锂,意味着从正极材料脱出的Li+部分被不可逆消耗,锂的损失会导致电池容量降低、库伦效率降低、循环性能变差。当采用高比容量的负极材料,例如硅、锡等合金类,氧化硅、氧化锡等氧化物类,无定形碳负极时,负极材料特别是硅基负极材料则会进一步消耗Li+,正极锂源的消耗也将进一步加剧,造成首次过低的库伦效率。
为了进一步提升锂离子电池的能量密度,对补充活性锂是解决这一问题的有效手段。目前,已有的补锂方法为正极补锂和负极补锂。负极补锂因为涉及到使用锂粉、锂箔等活泼金属,活性过高,无法长时间稳定保存,从而增加了操作难度和生产风险。正极补锂简单易操作,可在正极极片制备的匀浆过程中添加少量正极补锂剂,可在化成阶段实现补锂,补锂过程安全性且与现有电池制造工艺兼容性好,所以具有广阔的商业化应用前景。目前研究和报道的正极补锂剂种类繁多,其中Li5FeO4因其较高的比容量(理论867mAh/g)和合适的脱锂电压(3.5-4.7V),被认为是目前补锂效果最好的补锂剂。但Li5FeO4导电性和空气稳定性极差,常温下接触空气中少量的水就会生产锂化合物杂质,导致材料的性能下降、极化变大;且材料制备成本高、难度大,增加了大规模工业生产和应用。
然而,现有提高补锂剂导电性和空气稳定性的方法为碳包覆或聚合物包覆,需要将补锂材料与包覆源进行充分混合后再高温烧结,或使用有机气体高温催化裂解,以达到炭化或聚合的效果,制备过程繁琐、能耗高。
发明内容
本发明针对现有提高补锂剂导电性和空气稳定性所采用的方法制备过程繁琐、能耗高的技术问题,提出一种具有制备方法简单、能耗低、提高电池首效和整体电化学性能的改性正极补锂添加剂,通过对铁酸锂核体进行金属元素掺杂提高离子导电性,核体外表面引入硫碳复合包覆层改善界面不稳定性和电子导电率低等问题。
为了达到上述目的,本发明一方面提供了一种改性正极补锂添加剂,采用的技术方案为:改性正极补锂添加剂,包括金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体和包覆于所述金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体外表面的碳硫复合包覆层,其中,所述碳硫复合包覆层的厚度1-20nm,所述碳硫复合包覆层中硫和碳均匀分布,且硫含量为0.01-0.5wt%,碳含量为0.1-5wt%。
作为优选,所述改性正极补锂添加剂的分子式为Li5Fe1-xO4Mx@S/C,其中M为Mn、Co、Ni、Ca、Mg、Zr、Ni、Cu、Al中的至少一种,x=0.01-0.49。
本发明另一方面提供了上述改性正极补锂添加剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:将锂源、铁源、掺杂金属源、水的混合溶液采用球磨混合均匀,得到浆料;
步骤二:将所述浆料经喷雾干燥得到前驱体粉末;
步骤三:将所述前驱体粉末于惰性气体氛围下煅烧一定时间,随炉冷却得到掺杂的富锂铁酸锂;
步骤四:向所述掺杂的富锂铁酸锂与硫磺、无定形碳中加入有机溶剂,进行真空球磨,采用闭式喷雾干燥机进行粉体干燥及溶剂回收,并于真空条件下保温一定时间,得到改性正极补锂添加剂。
作为优选,步骤一中所述锂源和所述铁源中的元素摩尔比为Li:Fe=(4.4-7.0):1。
作为优选,步骤一中所述锂源为Li2O、LiOH、Li2CO3、LiNO3、Li2C2O4、CH3COOLi中的至少一种;所述铁源为Fe2O3、Fe3O4、FeC2O4、Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3、FeSO4中的至少一种;所述掺杂金属源为含Mn、Co、Ni、Ca、Mg、Zr、Ni、Cu、Ti、Al中至少一种金属元素的氧化物、氢氧化物或无机盐。
作为优选,步骤四中硫磺为可溶性硫磺和不溶性硫磺的至少一种;无定形碳为Super P、乙炔黑、柯琴黑、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、碳包气凝胶中的至少一种;有机溶剂为乙醇、乙腈、SC2、四氯化碳、四氢呋喃、DMF、DMAC、NMP中的至少一种。
作为优选,步骤一中球磨转速为200-600rpm,球磨时间为1-6h;步骤二中喷雾干燥温度为140-200℃;步骤三中的煅烧温度为600-900℃,煅烧时间为1-40h。
作为优选,步骤四中真空球磨转速为100-400rpm,球磨时间为2-10h,真空条件下保温温度为120-300℃,保温时间为1-10h。
本发明上述改性正极补锂添加剂的应用,所述改性正极补锂添加剂用于制备锂离子电池。
作为优选,所述改性正极补锂添加剂用于制备锂离子电池的正极,所述锂离子电池的正极材料中所述改性正极补锂添加剂的用量为所述正极活性材料质量比的0.5-5%。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果在于:
(1)本发明改性正极补锂添加剂的富锂铁酸锂核体通过掺杂金属元素可以增加晶格缺陷,有利于提高Li+的扩散速率和颗粒的内部电导率,从而提高补锂材料本身的离子导电性;核体外表面包覆有硫碳复合材料包覆层,且硫碳复合材料包覆层中的硫和碳均匀分布,形成均匀致密包覆层,碳可以提高材料表面的电子导电性,单质硫具有疏水性,可以提高材料对空气中水分的敏感性,通过两者协同作用,共同提高界面稳定性和导电性;而且,本发明引入的硫元素在电池循环后可以参与形成SEI膜,提高电极材料与电解液的稳定性,进而提高电池循环性能。
(2)本发明改性正极补锂添加剂制备方法简单,低温制备,能耗低,普适性广,可以将核体补锂材料中所含的锂进行有效的利用,在首圈充电过程中作为“牺牲剂”,尽可能一次性将全部锂离子释放出来,用以补充负极形成SEI膜而消耗掉的不可逆的锂离子,从而保持电池体系内锂离子的充裕,提高电池首效和整体电化学性能。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的改性正极补锂添加剂的结构示意图;
1、金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体,2、碳硫复合包覆层。
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。
本发明改性正极补锂添加剂,包括金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体和包覆于金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体外表面的碳硫复合包覆层,其中,碳硫复合包覆层的厚度1-20nm,碳硫复合包覆层中硫和碳均匀分布,且硫含量为改性正极补锂添加剂的0.01-0.5wt%,碳含量为改性正极补锂添加剂的0.1-5wt%。通过掺杂金属元素、包覆技术对富锂铁酸锂进行双重改性,二者协同作用,使所得改性正极补锂添加剂的导电性和界面稳定性得到提升。得益于富锂铁酸锂的基体,该改性正极补锂添加剂具有大于650mAh/g的比容量,同时由于碳硫复合材料的致密包覆,使改性正极补锂添加剂具有良好的导电性和空气稳定性,补锂性能和加工性能均得到较高的改善。
本发明改性正极补锂添加剂具有核壳结构,核体为金属元素掺杂的富锂铁酸锂,壳体为硫/碳复合材料制备的薄膜,分子式为Li5Fe1-xO4Mx@S/C,其中M为Mn、Co、Ni、Ca、Mg、Zr、Ni、Cu、Al中的至少一种,x=0.01-0.49。
本发明改性正极补锂添加剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:将锂源、铁源、掺杂金属源、水的混合溶液采用球磨混合均匀,得到浆料,其中,锂源和铁源中元素摩尔比为Li:Fe=(4.4-7.0):1,优选(5.0-6.0):1,掺杂金属源与铁源中金属元素与Fe元素的摩尔比为x:(1-x),x=0.01-0.49;
步骤二:将上述浆料经喷雾干燥得前驱体粉末,喷雾干燥温度为140-200℃;
步骤三:将上述前驱体粉末于惰性气体氛围下煅烧一定时间,煅烧温度为600-900℃,煅烧时间为1-40h,随炉冷却得到掺杂的富锂铁酸锂Li5Fe1-xO4Mx
步骤四:将上述富锂铁酸锂Li5Fe1-xO4Mx与硫磺、无定形碳中加入有机溶剂,进行真空球磨,采用闭式喷雾干燥机进行粉体干燥及溶剂回收,并于真空条件下保温一定时间,得到改性正极补锂添加剂Li5Fe1-xO4Mx@S/C。
在本发明上述制备方法步骤中,步骤一中锂源为Li2O、LiOH、Li2CO3、LiNO3、Li2C2O4、CH3COOLi中的至少一种;铁源为Fe2O3、Fe3O4、FeC2O4、Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3、FeSO4中的至少一种;掺杂金属源为含Mn、Co、Ni、Ca、Mg、Zr、Ni、Cu、Ti、Al中至少一种金属元素的氧化物、氢氧化物或无机盐,优选为MnCO3、Co(NO3)2·6H2O。步骤一中加入水的目的是溶解、分散原料并具有低粘度,可以进入喷雾干燥剂,水的用量优选为固体物质质量的2-20倍。
在本发明其中一些实施例中,步骤一中球磨转速为200-600rpm,球磨时间为1-6h。
步骤四中硫磺选自可溶性硫磺和不溶性硫磺的至少一种;无定形碳选自Super P、乙炔黑、柯琴黑、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、碳包气凝胶中的至少一种;有机溶剂选自乙醇、乙腈、SC2、四氯化碳、四氢呋喃、DMF、DMAC、NMP中的至少一种。其中,硫磺和无定形碳的用量根据硫和碳在改性正极补锂添加剂中所占比例进行确定,有机溶剂的用量保证各组分能够分散不团聚即可。
在本发明其中一些实施例中,步骤四中真空球磨转速为100-400rpm,球磨时间为2-10h,真空条件下保温温度为120-300℃,保温时间为1-10h。
本发明改性正极补锂剂应用于制备锂离子电池,优选用于制备锂离子电池的正极,更优选地,锂离子电池为软包电池。
本发明改性正极补锂剂的比容量测试方法,包括以下步骤:
将改性正极补锂剂作为正极活性物质制备扣式半电池进行首次充放电测试,其中补锂剂:SP:PVDF=8:1:1,负极为Li片,电压范围为2.0-5.0V,电流为0.01-2C。
将改性正极补锂剂用于制备锂离子电池的测试方法,包括以下步骤:
将改性正极补锂剂与正极活性材料掺混进行制备正极片,其中,改性正极补锂剂用量为正极活性物质质量比的0.5-5%,正极活性材料为LiCoO2、LiFePO4、镍钴锰三元材料中的至少一种,优选为LiCoO2;负极活性材料为天然石墨、人造石墨、软碳、硬碳、钛酸锂、硅、硅碳、硅氧中的至少一种,优选为硅氧负极。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的改性正极补锂添加剂及其制备方法和应用,下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
实施例1改性正极补锂添加剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:按摩尔比6:1称取LiNO3和Fe(NO3)3·9H2O,溶于去离子水中,称取质量分数0.1%的MnCO3加入到上述溶液中,搅拌均匀后转移至球磨罐,使用600rpm球磨2h,至溶液成均匀浆料;
步骤二:将所得浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末;
步骤三:将所得前驱体粉末于氩气气氛中800℃下保温10h,随炉冷却后得掺杂的富锂铁酸锂产品;
步骤四:将上述掺杂的富锂铁酸锂产品与0.1%的硫磺、1%的CNT加入乙醇中进行液相分散,200rpm真空球磨6h后真空干燥得混合粉体材料,而后转移至气氛炉中进行真空烧结,200℃保温6h,随炉冷却,得到双重改性的正极补锂剂。
实施例2
实施例2改性正极补锂添加剂的制备方法步骤一中更换掺杂原料为0.2%Co(NO3)2·6H2O,其他步骤均与实施例1一致。
实施例3
实施例3改性正极补锂添加剂的制备方法步骤一中更换Li源为碳酸锂,Fe源为Fe2O3,按Li:Fe摩尔比5.5:1称取碳酸锂和Fe2O3,步骤四中真空烧结条件为900℃保温8h,其他步骤均为实施例1一致。
实施例4
实施例4改性正极补锂添加剂的制备方法步骤一中更换Li源为CH3COOLi,Fe源为FeC2O4,按Li:Fe摩尔比5.0:1称取CH3COOLi和FeC2O4
其他条件均为实施例1一致。
实施例5
实施例5改性正极补锂添加剂的制备方法步骤一中更换MnCO3质量分数为0.5%,其他条件均为实施例1一致。
实施例6
实施例6改性正极补锂添加剂的制备方法步骤四中更换有机溶剂为四氢呋喃,其他条件均为实施例1一致。
实施例7
实施例7改性正极补锂添加剂的制备方法步骤四中更换包覆混合碳源为0.5%薄层石墨烯(≤10层),其他条件均为实施例1一致。
实施例8
实施例8改性正极补锂添加剂的制备方法步骤四中更换硫磺质量分数为0.05%,更换包覆混合碳源为2% Super-P,其他条件均为实施例1一致。
对比例1
步骤一:按摩尔比为6:1称取LiNO3和Fe(NO3)3·9H2O,溶于去离子水中,搅拌均匀后转移至球磨罐,使用600rpm球磨2h,至溶液成均匀浆料;
步骤二:将所得浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末;
步骤三:将所得前驱体粉末于氩气气氛中800℃下保温10h,随炉冷却后得富锂铁酸锂产品。
对比例2
步骤一:按摩尔比6:1称取LiNO3和Fe(NO3)3·9H2O,溶于去离子水中,称取质量分数0.1%的MnCO3加入到上述溶液中,搅拌均匀后转移至球磨罐,使用600rpm球磨2h,至溶液成均匀浆料;
步骤二:将所得浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末;
步骤三:将所得前驱体粉末于氩气气氛中800℃下保温10h,随炉冷却后得掺杂的富锂铁酸锂Li5Fe0.95Mn0.05O4
对比例3
步骤一:按摩尔比6:1称取LiNO3和Fe(NO3)3·9H2O,溶于去离子水中,搅拌均匀后转移至球磨罐,使用600rpm球磨2h,至溶液成均匀浆料;
步骤二:将所得浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末;
步骤三:将所得前驱体粉末于氩气气氛中800℃下保温10h,随炉冷却后得富锂铁酸锂产品;
步骤四:将上述富锂铁酸锂产品与0.1%的硫磺、1%的CNT加入乙醇中进行液相分散,200rpm真空球磨6h后真空干燥得混合粉体材料,而后转移至气氛炉中进行真空烧结,200℃保温6h,随炉冷却,得到仅包覆的富锂铁酸锂Li5FeO4@S/C。
性能测试
空气稳定性评测
将实施例1-8和对比例1-3所得的补锂剂产品作为正极材料制备扣式电池,按照补锂剂:SP:PVDF=8:1:1比例称量加入搅拌罐,加入适量NMP混合充分制成浆料,涂布、烘干、辊压得到正极片;随后将正极片与Li片组装成锂离子电池,分别进行充放电测试,其中,测试电流为0.05C,电压为2.5-4.5V;另外将实施例1-8和对比例1-3中的补锂剂产品在湿度为40%的空气气氛中暴露24h后按照上述同样的方法进行充放电测试,结果如表1所示:
表1实施例1-8和对比例1-3的正极补锂剂首次充放电比容量
Figure BDA0004000710490000081
Figure BDA0004000710490000091
由上可知,对比例1不掺杂不包覆处理,对比例2不包覆处理,对比例3不掺杂处理。在2.5-4.5V的电压范围内,0.05C倍率充电的条件下,实施例1-8均表现出较高的充电比容量,且于湿度40%的空气条件下暴露24h后,容量衰减<30mAh/g,明显优于对比例2未包覆组;由实施例1和对比例3可以看出,掺杂金属元素可明显提升了充放电比容量。综上,本发明产品充分发挥掺杂、包覆的协同优势,对空气稳定性和材料电化学性能改善明显。
全电池性评测
将实施例1和对比例1制备得到的正极补锂剂产品加入软包电池中分别取三组平行样,进行循环测试,其中正极为商用LiCoO2,负极为商用氧化亚硅,电池容量为5.0Ah,截止电压为2.8V-4.4V,0.5C/1C循环200圈后,容量保持率数据如下表2:
表2添加实施例1和对比例1正极补锂剂的软包电池的电池循环性能
Figure BDA0004000710490000092
由上可知,采用本发明技术方案制备的改性正极补锂剂能够有效改善电池的稳定性,这主要得益于微量单质硫的引入,硫在高温处理时会形成聚硫化物,在与电解液接触时,这些聚硫化物与电解液中的碳酸酯溶剂(比如EC)发生化学反应,生成类PEO的结构(-O-(CH2CH2O)n-CH2CH2SxLi)的物质,这些物质可作为SEI膜组分覆盖在电极表面,减少电极与电解液的副反应,从而提升电池的长循环性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性正极补锂添加剂,其特征在于,包括金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体和包覆于所述金属元素掺杂的富锂铁酸锂核体外表面的碳硫复合包覆层,其中,所述碳硫复合包覆层的厚度1-20nm,所述碳硫复合包覆层中硫和碳均匀分布,且硫含量为0.01-0.5wt%,碳含量为0.1-5wt%。
2.根据权利要求1所述的改性正极补锂添加剂,其特征在于,所述改性正极补锂添加剂的分子式为Li5Fe1-xO4Mx@S/C,其中M为Mn、Co、Ni、Ca、Mg、Zr、Ni、Cu、Al中的至少一种,x=0.01-0.49。
3.根据权利要求1或2所述的改性正极补锂添加剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:将锂源、铁源、掺杂金属源、水的混合溶液采用球磨混合均匀,得到浆料;
步骤二:将所述浆料经喷雾干燥得到前驱体粉末;
步骤三:将所述前驱体粉末于惰性气体氛围下煅烧一定时间,随炉冷却得到掺杂的富锂铁酸锂;
步骤四:向所述掺杂的富锂铁酸锂与硫磺、无定形碳中加入有机溶剂,进行真空球磨,采用闭式喷雾干燥机进行粉体干燥及溶剂回收,并于真空条件下保温一定时间,得到改性正极补锂添加剂。
4.根据权利要求3所述的改性正极补锂添加剂的制备方法,其特征在于,步骤一中所述锂源和所述铁源中的元素摩尔比为Li:Fe=(4.4-7.0):1。
5.根据权利要求3所述的改性正极补锂添加剂的制备方法,其特征在于,步骤一中所述锂源为Li2O、LiOH、Li2CO3、LiNO3、Li2C2O4、CH3COOLi中的至少一种;所述铁源为Fe2O3、Fe3O4、FeC2O4、Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3、FeSO4中的至少一种;所述掺杂金属源为含Mn、Co、Ni、Ca、Mg、Zr、Ni、Cu、Ti、Al中至少一种金属元素的氧化物、氢氧化物或无机盐。
6.根据权利要求3所述的改性正极补锂添加剂的制备方法,其特征在于,步骤四中硫磺为可溶性硫磺和不溶性硫磺的至少一种;无定形碳为Super P、乙炔黑、柯琴黑、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、碳包气凝胶中的至少一种;有机溶剂为乙醇、乙腈、SC2、四氯化碳、四氢呋喃、DMF、DMAC、NMP中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的改性正极补锂添加剂的制备方法,其特征在于,步骤一中球磨转速为200-600rpm,球磨时间为1-6h;步骤二中喷雾干燥温度为140-200℃;步骤三中的煅烧温度为600-900℃,煅烧时间为1-40h。
8.根据权利要求3所述的改性正极补锂添加剂的制备方法,其特征在于,步骤四中真空球磨转速为100-400rpm,球磨时间为2-10h,真空条件下保温温度为120-300℃,保温时间为1-10h。
9.根据权利要求1或2所述的改性正极补锂添加剂的应用,其特征在于,所述改性正极补锂添加剂用于制备锂离子电池。
10.根据权利要求9所述的改性正极补锂添加剂的应用,其特征在于,所述改性正极补锂添加剂用于制备锂离子电池的正极,所述锂离子电池的正极材料中所述改性正极补锂添加剂的用量为所述正极活性材料质量比的0.5-5%。
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