本發(fā)明涉及鋰離子電池正極材料技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料及其制備方法。
背景技術(shù):
鋰離子電池是一種新型的二次電池,由于自身具有比能量高、循環(huán)壽命長、放電穩(wěn)定性好、環(huán)境污染小及開發(fā)潛力大等明顯優(yōu)勢,現(xiàn)已成為全球能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和開發(fā)的一個重點(diǎn)方向。正極材料在鋰離子電池中發(fā)揮著舉足輕重的作用,因此,正極材料的開發(fā)利用發(fā)展尤為迅速,三元正極材料又以能量密度高、成本相對較低以及循環(huán)性能優(yōu)異等特點(diǎn)成為諸多正極材料中潛力最大最有發(fā)展前景的一種,受到人們的青睞,廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類產(chǎn)品、數(shù)碼類產(chǎn)品、動力產(chǎn)品和無人機(jī)等領(lǐng)域。
三元正極材料一般為微米級的球形顆粒,在充放電過程中,鋰離子的“脫出”或“嵌入”往往會由于液相和固相的擴(kuò)散系數(shù)以及擴(kuò)散路徑的差異而形成極化現(xiàn)象的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致材料局部過充和過放的問題,影響材料的循環(huán)穩(wěn)定性;另外,鋰離子“脫出”或“嵌入”的過程,會導(dǎo)致材料球形顆粒發(fā)生體積變化,甚至導(dǎo)致顆粒破碎,嚴(yán)重影響電池的安全性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足,以解決現(xiàn)有制備方法制得的三元正極材料循環(huán)性能和安全性能無法滿足市場需求的問題,本發(fā)明提供了一種雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料,分子式為linixco1-x-ymnyo2,0<x<1,0<y<1,x+y<1,所述正極材料為雙層結(jié)構(gòu);內(nèi)層為由納米級顆粒凝集組成的疏松多孔結(jié)構(gòu);外層為由微米級粒子通過放射狀定向排列堆積而包圍內(nèi)層的結(jié)構(gòu)。
作為優(yōu)選方案,所述納米級顆粒的直徑為10-100nm;所述微米級粒子的直徑為0.5-5μm。
所述正極材料由含有雙層結(jié)構(gòu)的前軀體熱處理而得,所述前軀體的分子式為linixco1-x-ymy(oh)2,0<x<1,0<y<1,x+y<1。
所述雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料的制備方法,包括步驟:
1)合成內(nèi)層結(jié)構(gòu);以絡(luò)合劑溶液a作為底液,在惰性氣體氛圍中,攪拌下滴加鎳鈷錳鹽溶液,同時(shí)滴加絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液;控制反應(yīng)體系ph值為10.0-13.0,反應(yīng)溫度為40-60℃進(jìn)行反應(yīng),得到前軀體固液混合物a;
2)合成外層結(jié)構(gòu);在惰性氣體氛圍中,向所述前軀體固液混合物a中滴加鎳鈷錳鹽溶液,同時(shí)滴加絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液,控制反應(yīng)體系ph值為9.0-12.5,反應(yīng)溫度為40-60℃,攪拌下進(jìn)行反應(yīng),得到前軀體固液混合物b;
3)熱處理;所述前軀體固液混合物b過濾并烘干得雙層結(jié)構(gòu)的前軀體,所述雙層結(jié)構(gòu)的前軀體與鋰鹽混合均勻,首先升溫至300-550℃,保溫3-8h,隨后升溫至600-1000℃,保溫8-30h;升溫和保溫過程均通入空氣或氧氣或空氣與氧氣的混合氣,熱處理結(jié)束后繼續(xù)通氣至冷卻至室溫,得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料。
作為優(yōu)選方案,絡(luò)合劑溶液a的濃度為0.1-0.8mol/l;絡(luò)合劑溶液b的濃度為2-10mol/l;沉淀劑溶液的濃度為4-10mol/l;鎳鈷錳鹽溶液的濃度為0.5-4mol/l。
作為優(yōu)選方案,步驟1)和步驟2)所述鎳鈷錳鹽溶液中,鎳鹽、錳鹽、鈷鹽的摩爾比為a:b:10-a-b,0<a<10,0<b<10,a+b<10。
進(jìn)一步地,步驟3)中,所述雙層結(jié)構(gòu)的前軀體與鋰鹽的加入量滿足:雙層結(jié)構(gòu)的前軀體中鎳鈷錳的總物質(zhì)的量與鋰的物質(zhì)的量比為1:1.02-1:1.1。
作為優(yōu)選方案,步驟1)和步驟2)所述絡(luò)合劑溶液為氨水、檸檬酸水溶液、乙二胺四乙酸二鈉水溶液中的一種或多種;所述沉淀劑溶液為碳酸鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鋰或氫氧化鈉水溶液中的一種或幾種;所述鎳鈷錳鹽溶液為鎳鈷錳的硝酸鹽、硫酸鹽、氯化鹽、醋酸鹽中的一種或幾種;步驟3)所述鋰鹽為氫氧化鋰、碳酸鋰、硝酸鋰、氟化鋰的一種或幾種。
作為優(yōu)選方案,步驟1)的攪拌速度為600-1000r/min,步驟2)的攪拌速度為300-800r/min;步驟2)攪拌速度為步驟1)攪拌速度的0.5-0.8倍。以利于雙層結(jié)構(gòu)前軀體的形成。
作為優(yōu)選方案,步驟2)加入鎳鈷錳鹽溶液的量為步驟1)鎳鈷錳鹽溶液加入量的1.2-10倍。以保證材料顆粒外層結(jié)構(gòu)達(dá)到一定厚度,避免后期燒結(jié)時(shí)顆粒破碎。
所述雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料作為鋰電池正極材料的應(yīng)用。
本發(fā)明通過控制三元材料前驅(qū)體合成工藝,制備出具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料,通過熱處理,進(jìn)一步通過熱處理制備出雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的三元正極材料。雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),最大程度上彌補(bǔ)了充放電過程中由于鋰離子濃差極化導(dǎo)致的材料的劣化,大大降低了顆粒局部過充或過放的問題,提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性;同時(shí),內(nèi)部疏松多空隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),極大地緩解了材料顆粒在充放電過程中由體積變化而導(dǎo)致的顆粒破碎的問題,進(jìn)而提高了材料的安全穩(wěn)定性。
本發(fā)明的有益效果為:
本發(fā)明的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松且一次粒子小、外部結(jié)構(gòu)致密且一次粒子大的特性。該結(jié)構(gòu)內(nèi)部一次粒子小,增大了與電解液的接觸面積,提高了反應(yīng)活性,降低了鋰離子固相傳導(dǎo)和脫嵌位移,從而降低了鋰離子在粒子內(nèi)部傳導(dǎo)和脫嵌阻力;外部粒子大,降低了比表面積,從而降低反應(yīng)活性,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),平衡顆粒內(nèi)外部反應(yīng)活性,減弱了由于材料顆粒局部極化而導(dǎo)致的“過充”和“過放”的問題,提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性;內(nèi)部疏松多空隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),大大緩解了材料顆粒在充放電過程中由體積變化而導(dǎo)致的顆粒破碎的問題,提高了材料的安全穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。
本發(fā)明通過控制材料前驅(qū)體合成工藝,制備出具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料,通過燒結(jié),進(jìn)一步制備出雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的正極材料。該材料的循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能得到很大的提高。
本發(fā)明方法制得的正極材料循環(huán)性能好、安全性能高,半電池1c循環(huán)100次,循環(huán)保持率在95%以上,全電池1c循環(huán)壽命2000次以上;該正極材料的制備工藝流程簡單,可控性好,制造成本低,適于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn),可以滿足電動汽車等市場上對于長壽命和安全性高動力電池的需求。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
圖1為實(shí)施例1前驅(qū)體材料的sem剖面圖;
圖2為實(shí)施例1正極材料的sem剖面圖;
圖3為實(shí)施例1正極材料的xrd圖;
圖4為實(shí)施例1與比較例1在25℃下半電池1c倍率放電比容量循環(huán)曲線;
圖5為實(shí)施例1正極材料制備的全電池在25℃下半電池1c倍率放電比容量循環(huán)曲線;
圖6為實(shí)施例2與比較例2在25℃下半電池1c倍率放電比容量循環(huán)曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料的制備方法,包括步驟:
1)合成內(nèi)層結(jié)構(gòu)
a)配制鎳鈷錳鹽溶液:按照摩爾比5:2:3準(zhǔn)確稱量鎳鹽、鈷鹽、錳鹽,溶于去離子水后通氮?dú)獬醯玫?l2mol/l鎳鈷錳鹽溶液;
b)配制0.5l絡(luò)合劑溶液a、1l絡(luò)合劑溶液b和6l沉淀劑溶液,并通氮?dú)獬?;絡(luò)合劑溶液a為0.3mol/l的氨水溶液;絡(luò)合劑溶液b為4mol/l的氨水溶液;沉淀劑溶液為4mol/l的氫氧化鈉水溶液;
c)以步驟1)b中0.5l絡(luò)合劑溶液a作為底液加入至反應(yīng)釜,向反應(yīng)釜中通入惰性氣體氮?dú)?,然后?00r/min的攪拌速度攪拌,借助計(jì)量泵將1.5l步驟1)a中的鎳鈷錳鹽溶液滴加到反應(yīng)釜中,同時(shí)滴加步驟1)b中絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液;精確控制反應(yīng)體系ph值為11.2,反應(yīng)溫度40℃進(jìn)行成核反應(yīng),得到前軀體固液混合物a。
2)合成外層結(jié)構(gòu)
將前軀體固液混合物a的ph值調(diào)節(jié)為10.8,并保持恒定,然后以500r/min的攪拌速度攪拌,借助計(jì)量泵向反應(yīng)釜中滴加步驟1)a中剩余的4.5l鎳鈷錳鹽溶液,同時(shí)滴加步驟1)b中絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液,反應(yīng)溫度40℃進(jìn)行共沉淀反應(yīng),得到前軀體固液混合物b。
3)熱處理
將步驟2)所得前軀體固液混合物b過濾,洗滌至中性后60-120℃下真空烘干得雙層結(jié)構(gòu)的前軀體ni0.5co0.2mn0.3(oh)2(其sem圖像如圖1所示),將雙層結(jié)構(gòu)的前軀體與碳酸鋰粉末混合均勻;其中,雙層結(jié)構(gòu)的前軀體中鎳鈷錳的總物質(zhì)的量與鋰的物質(zhì)的量比為1:1.05。
混合均勻后,首先升溫至550℃,保溫4h,隨后升溫至840℃,保溫15h;升溫和保溫過程均通入空氣或氧氣或空氣與氧氣的混合氣,熱處理結(jié)束后繼續(xù)通氣至冷卻至室溫,得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料(其sem圖像如圖2所示,其xrd圖如圖3所示)。
本實(shí)施例中,鎳鹽、鈷鹽、錳鹽均為硝酸鹽。
本實(shí)施例所得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如圖4所示;并以本實(shí)施例中所得正極材料為正極,人造石墨為負(fù)極,制備軟包電池,測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如圖5所示。
實(shí)施例2
雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料的制備方法,包括步驟:
1)合成內(nèi)層結(jié)構(gòu)
a)配制鎳鈷錳鹽溶液:按照摩爾比8:1:1準(zhǔn)確稱量鎳鹽、鈷鹽、錳鹽,溶于去離子水后通氮?dú)獬醯玫?0l2mol/l鎳鈷錳鹽溶液;
b)配制20l絡(luò)合劑溶液a、12l絡(luò)合劑溶液b和40l沉淀劑溶液,并通氮?dú)獬酰唤j(luò)合劑溶液a為0.5mol/l的氨水溶液;絡(luò)合劑溶液b為4mol/l的氨水溶液;沉淀劑溶液為4mol/l的氫氧化鈉水溶液;
c)以步驟1)b中20l絡(luò)合劑溶液a作為底液加入至反應(yīng)釜,向反應(yīng)釜中通入惰性氣體氮?dú)?,然后?00r/min的攪拌速度攪拌,借助計(jì)量泵將步驟1)a中10l鎳鈷錳鹽溶液滴加到反應(yīng)釜中,同時(shí)滴加步驟1)b中絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液;精確控制反應(yīng)體系ph值為11.8,反應(yīng)溫度40℃進(jìn)行成核反應(yīng),得到前軀體固液混合物a。
2)合成外層結(jié)構(gòu)
將前軀體固液混合物a的ph值調(diào)節(jié)為11.5,并保持恒定,然后以500r/min的攪拌速度攪拌,借助計(jì)量泵向反應(yīng)釜中滴加步驟1)a中剩余30l鎳鈷錳鹽溶液,同時(shí)滴加步驟1)b中絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液,反應(yīng)溫度40℃進(jìn)行共沉淀反應(yīng),得到前軀體固液混合物b。
3)熱處理
將步驟2)所得前軀體固液混合物b過濾,洗滌至中性后60-120℃下真空烘干得雙層結(jié)構(gòu)的前軀體ni0.8co0.1mn0.1(oh)2,雙層結(jié)構(gòu)的前軀體與碳酸鋰粉末混合均勻;其中,雙層結(jié)構(gòu)的前軀體中鎳鈷錳的總物質(zhì)的量與鋰的物質(zhì)的量比為1:1.05。
混合均勻后,首先升溫至550℃,保溫4h,隨后升溫至750℃,保溫15h;升溫和保溫過程均通入空氣或氧氣或空氣與氧氣的混合氣,熱處理結(jié)束后繼續(xù)通氣至冷卻至室溫,得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料。
本實(shí)施例中,鎳鹽、鈷鹽、錳鹽均為硝酸鹽。
本實(shí)施例所得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如圖6所示。
實(shí)施例3
將實(shí)施例1中步驟1)c中的攪拌速度改為700r/min,其他與實(shí)施例1一致。
本實(shí)施例所得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如表1所示。
實(shí)施例4
將實(shí)施例1中步驟2)中的攪拌速度改為600r/min,其他與實(shí)施例1一致。
本實(shí)施例所得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如表1所示。
實(shí)施例5
將實(shí)施例1中步驟1)c中“1.5l步驟1)a中的鎳鈷錳鹽溶液”改為“1.0l步驟1)a中的鎳鈷錳鹽溶液”;步驟2)中“剩余的4.5l鎳鈷錳鹽溶液”改為“剩余的5.0l鎳鈷錳鹽溶液”,其他與實(shí)施例1一致。
本實(shí)施例所得雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如表1所示。
比較例1
正極材料的制備方法,包括步驟:
1)前軀體的制備
a)配制鎳鈷錳鹽溶液:按照摩爾比5:2:3準(zhǔn)確稱量鎳鹽、鈷鹽、錳鹽,溶于去離子水后通氮?dú)獬醯玫?mol/l鎳鈷錳鹽溶液6l;
b)配制0.5l絡(luò)合劑溶液a、1l絡(luò)合劑溶液b和6l沉淀劑溶液,并通氮?dú)獬?;絡(luò)合劑溶液a為0.3mol/l的氨水溶液;絡(luò)合劑溶液b為4mol/l的氨水溶液;沉淀劑溶液為4mol/l的氫氧化鈉水溶液;
c)以步驟1)b中0.5l絡(luò)合劑溶液a作為底液加入至反應(yīng)釜,向反應(yīng)釜中通入惰性氣體氮?dú)?,然后機(jī)械攪拌(800r/min)下,借助計(jì)量泵將步驟1)a中6l鎳鈷錳鹽溶液滴加到反應(yīng)釜中,同時(shí)滴加步驟1)b中絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液;精確控制反應(yīng)體系ph值為10.8,反應(yīng)溫度40℃進(jìn)行成核反應(yīng),得到前軀體固液混合物。
2)熱處理
將步驟1)所得前軀體固液混合物過濾,洗滌至中性后,60-120℃下真空烘干得前軀體ni0.5co0.2mn0.3(oh)2,將該前軀體與碳酸鋰粉末混合均勻;其中,前軀體中鎳鈷錳的總物質(zhì)的量與鋰的物質(zhì)的量比為1:1.05。
混合均勻后,首先升溫至550℃,保溫4h,隨后升溫至840℃,保溫15h;升溫和保溫過程均通入空氣或氧氣或空氣與氧氣的混合氣,熱處理結(jié)束后繼續(xù)通氣至冷卻至室溫,得三元正極材料。
本比較例中,鎳鹽、鈷鹽、錳鹽均為硝酸鹽。
本比較例所得三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如圖4所示。
比較例2
正極材料的制備方法,包括步驟:
1)前軀體的制備
a)配制鎳鈷錳鹽溶液:按照摩爾比8:1:1準(zhǔn)確稱量鎳鹽、鈷鹽、錳鹽,溶于去離子水后通氮?dú)獬醯玫?mol/l鎳鈷錳鹽溶液40l;
b)配制20l絡(luò)合劑溶液a、12l絡(luò)合劑溶液b和40l沉淀劑溶液,并通氮?dú)獬?;絡(luò)合劑溶液a為0.5mol/l的氨水溶液;絡(luò)合劑溶液b為4mol/l的氨水溶液;沉淀劑溶液為4mol/l的氫氧化鈉水溶液;
c)以步驟1)b中20l絡(luò)合劑溶液a作為底液加入至反應(yīng)釜,向反應(yīng)釜中通入惰性氣體氮?dú)?,然后機(jī)械攪拌(500r/min)下,借助計(jì)量泵將步驟1)a中40l鎳鈷錳鹽溶液滴加到反應(yīng)釜中,同時(shí)滴加步驟1)b中絡(luò)合劑溶液b和沉淀劑溶液;精確控制反應(yīng)體系ph值為11.5,反應(yīng)溫度40℃進(jìn)行成核反應(yīng),得到前軀體固液混合物。
2)熱處理
將步驟1)所得前軀體固液混合物過濾,洗滌至中性后,60-120℃下真空烘干得前軀體ni0.8co0.1mn0.1(oh)2,將該前軀體與碳酸鋰粉末混合均勻;其中,前軀體中鎳鈷錳的總物質(zhì)的量與鋰的物質(zhì)的量比為1:1.05。
混合均勻后,首先升溫至550℃,保溫4h,隨后升溫至750℃,保溫15h;升溫和保溫過程均通入空氣或氧氣或空氣與氧氣的混合氣,熱處理結(jié)束后繼續(xù)通氣至冷卻至室溫,得三元正極材料。
本比較例中,鎳鹽、鈷鹽、錳鹽均為硝酸鹽。
本比較例所得三元正極材料作為正極材料制備紐扣式電池,并測試其電化學(xué)性能,結(jié)果如圖6所示。
結(jié)果分析:
圖1、圖2分別是實(shí)施例1所得前驅(qū)體材料和正極材料在10k時(shí)的掃描電鏡圖。從圖1中可以看出實(shí)施例1所述前驅(qū)體材料顆粒內(nèi)外界限分明,內(nèi)部顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)疏松,呈絮狀;外部顆粒大、結(jié)構(gòu)致密,呈放射狀。從圖2可以看出,實(shí)施例1所得正極材料,內(nèi)部顆粒小、空隙大;外部顆粒大,致密無縫隙。
圖3為實(shí)施例1所制得的正極材料lini0.5co0.2mn0.3o2的xrd圖,從圖中可以看出該材料為α–nafeo2層狀結(jié)構(gòu),衍射峰強(qiáng)度高,結(jié)晶性好,陽離子混排程度小。
如圖4所示,實(shí)施例1所得正極材料是具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的523正極材料,比較例1所得正極材料是常規(guī)方法制備的523正極材料。從圖4和表1中可以看出,實(shí)施例1所得正極材料,1c倍率條件下首次放電比容量為156.5mah/g,100周循環(huán)后放電比容量為150.2mah/g,循環(huán)保持率為96.0%;比較例1所得正極材料,1c倍率條件下首次放電比容量為155.8mah/g,100周循環(huán)后放電比容量為140.2mah/g,循環(huán)保持率為90.0%。
通過以上分析可以看出,具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的正極材料的比容量基本上沒有太大變化,但1c循環(huán)保持率提高了近6%左右。
如圖5所示,采用實(shí)施例1所制備的正極材料lini0.5co0.2mn0.3o2為正極,石墨作為負(fù)極制備的小軟包電芯,在1c倍率電流條件下循環(huán)2000次,循環(huán)保持率為81%左右,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
如圖6所示,實(shí)施例2所得正極材料是具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的811正極材料,比較例2所得正極材料是常規(guī)方法制備的811正極材料。從圖6和表1中可以看出,實(shí)施例2所得正極材料,1c倍率條件下首次放電比容量為180.5mah/g,100周循環(huán)后放電比容量為172.2mah/g,循環(huán)保持率為95.4%;比較例2所得正極材料,1c倍率條件下首次放電比容量為178.8mah/g,100周循環(huán)后放電比容量為162.2mah/g,循環(huán)保持率為90.7%;通過以上分析可以看出,具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的正極材料的比容量基本上沒有太大變化,但1c循環(huán)保持率提高了近5%左右。
表1.1c電流密度下各實(shí)施例與比較例的電化學(xué)性能測試結(jié)果