CN1234178C - 掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的合成方法，特别是掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法。其特征为：(1)以锂、镍和掺杂元素的硝酸盐为主要原料，以尿素为辅助原料；(2)根据目标产物的化学式和氧化-还原反应平衡原理计算主要原料和辅助原料的用量；(3)按计算用量混合主要原料和辅助原料，并加少量水制成溶液；(4)将溶液置于电炉中进行燃烧合成反应；(5)将反应产物回火处理一段时间，得到锂离子电池正极活性材料掺杂镍酸锂。该合成方法设备简单，操作方便、快捷，容易控制，合成的材料均匀，性能稳定，比容量高。

Description

掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料的合成方法，特别是掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法。
背景技术
现有的商业锂离子电池绝大多数用钴酸锂作正极材料。这种材料虽然具有容易合成、性能稳定和容量较高等优点，但其合成所需的钴存在价格昂贵、毒性较大、资源匮乏等严重缺点。掺杂镍酸锂是最有希望取代钴酸锂的新一代锂离子电池正极材料。目前，制备掺杂镍酸锂的方法主要有固相合成法和液相合成法。固相合成法由于原料混合无法达到分子水平的均匀性，一般需要在较高温度下长时间恒温煅烧，通常需要煅烧两次以上，中间需要研磨过筛，其合成时间长，合成温度高，生产能耗较大。液相法虽然能实现原料在分子水平上的均匀混合，合成温度较低，但工艺复杂，产量低，很难大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便快捷合成高性能锂离子电池正极材料的新方法，即掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法。
本发明采用锂、镍和掺杂元素镁、锌、钴、铬、钛、铝、锰、镓的硝酸盐为主要原料，以尿素为辅助原料，通过主要原料与辅助原料的科学搭配，并加少量水配制成溶液，实现原料在分子水平上的均匀混合，然后在一定温度下点火，使之发生自蔓延燃烧反应，在很短的时间内(10～30分钟)得到合成产物，再经一定时间的回火处理，得到具有良好层状结构和电化学性能的锂离子电池正极材料掺杂镍酸锂LiNi1-xMxO2，M为掺杂元素，属于镁、锌、钴、铬、钛、铝、锰、镓中的一种或多种，0＜x≤0.5。
具体合成过程包括以下步骤：
(1)根据目标产物的化学式和氧化-还原反应平衡原理，即主要原料中氮的总化合价等于辅助原料中氮的总化合价，计算主要原料和辅助原料的用量(硝酸锂的用量需要多加5～15％，以弥补燃烧合成过程和回火过程中锂的挥发损失)；
(2)按上述计算用量混合主要原料和辅助原料，并加少量水制成溶液；
(3)将上述溶液置于加热到400-600℃并恒温的电炉中进行燃烧合成反应；
(4)将上述反应产物收集、碾细，置于电炉中，在600-1200℃回火一段时间，得到合成产物；
(5)将合成产物碾细、过筛，得到具有良好层状结构和电化学性能的掺杂镍酸锂。
该方法具有生产设备简单，操作方便、快捷，容易控制；合成产物均匀，结构、性能稳定，比容量高等优点。
具体实施方式
实施例一
以硝酸盐和尿素为原料用低温燃烧法合成掺铝镍酸锂LiNi0.8Al0.2O2
1.根据目标产物的化学式LiNi0.8Al0.2O2计算各种硝酸盐的用量。
合成1摩尔LiNi0.8Al0.2O2需要1摩尔硝酸锂，0.8摩尔硝酸镍，0.2摩尔硝酸铝。考虑到燃烧合成和回火过程中锂会挥发损失，需要增加10％的硝酸锂，因此硝酸锂的用量应为1.1摩尔。
2.根据氧化-还原反应平衡原理计算尿素的用量。
合成1摩尔LiNi0.8Al0.2O2所需硝酸盐为：
1.1摩尔LiNO3、0.8摩尔Ni(NO3)2·6H2O、0.2摩尔Al(NO3)3·9H2O
上述硝酸盐中氮的总化合价为(1.1+0.8×2+0.2×3)×(+5)＝+16.5
要使尿素CO(NH2)2中氮的总化合价等于所用硝酸盐中氮的总化合价，则尿素的用量应为：16.5/(2×3)＝2.75摩尔。
3.将上述原料按计算出来的用量准确称量，装入氧化铝陶瓷坩埚，加少量蒸馏水制成溶液。
4.将溶制好的溶液置于加热到400℃并恒温的电炉中，使溶液在电炉中发生脱水、冒烟、着火、燃烧等一系列反应。15分钟内反应完毕。
5.将反应产物收集、碾细、过50目筛。
6.将过筛后的反应产物装入氧化铝陶瓷坩埚，置于电炉中，在750℃恒温回火16小时，然后随炉冷却。
7.冷却后，将合成产物碾细，过300目筛，得到具有良好层状结构和电化学性能的掺铝镍酸锂。
实施例二
以硝酸盐和尿素为原料用低温燃烧法合成锰镍酸锂LiNi0.7Mn0.3O2
1.根据目标产物的化学式LiNi0.7Mn0.3O2计算各种硝酸盐的用量。
合成1摩尔LiNi0.7Mn0.3O2需要1摩尔硝酸锂，0.7摩尔硝酸镍，0.3摩尔硝酸锰。考虑到燃烧合成和回火过程中锂会挥发损失，需要增加10％的硝酸锂，因此，硝酸锂的用量应为1.1摩尔。
2.根据氧化-还原反应平衡原理计算尿素的用量。
合成1摩尔LiNi0.7Mn0.3O2所需硝酸盐为：
1.1摩尔LiNO3、0.7摩尔Ni(NO3)2·6H2O，0.3摩尔Mn(NO3)2
上述硝酸盐中氮的总化合价为(1.1+0.7×2+0.3×2)×(+5)＝+15.5
要使尿素CO(NH2)2中氮的总化合价等于所用硝酸盐中氮的总化合价，则尿素的用量应为15.5/(2×3)＝2.583摩尔。
3.将上述原料按计算出来的用量准确称量，装入氧化铝陶瓷坩埚，加少量蒸馏水制成溶液；
4.将溶制好的溶液置于加热到400℃并恒温的电炉中，使溶液在电炉中发生脱水、冒烟、着火、燃烧等一系列反应。15分钟内反应完毕。
5.将反应产物收集、碾细，过50目筛；
6.将过筛后的反应产物装入氧化铝陶瓷坩埚，置于电炉中，在900℃恒温回火20小时，然后随炉冷却；
7.冷却后，将合成产物碾细，过300目筛，得到具有良好层状结构和电化学性能的锰镍酸锂。

Claims (3)

1.掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法，其特征在于：
(1)以锂、镍和掺杂元素镁、锌、钴、铬、钛、铝、锰、镓的硝酸盐为主要原料，以尿素为辅助原料；
(2)根据目标产物的化学式和氧化-还原反应平衡原理，即主要原料中氮的总化合价等于辅助原料中氮的总化合价，计算主要原料和辅助原料的用量；
(3)按上述计算用量混合主要原料和辅助原料，并加少量水制成溶液；
(4)将上述溶液置于加热到400-600℃并恒温的电炉中进行燃烧合成反应；
(5)将上述反应产物在600-1200℃回火处理一段时间，得到锂离子电池正极活性材料。
2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述锂离子电池正极活性材料为层状结构的掺杂镍酸锂LiNi1-xMxO2，M为掺杂元素，属于镁、锌、钴、铬、钛、铝、锰、镓中的一种或多种，0＜x≤0.5。
3.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述回火处理在空气或氧气中进行。
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