一种改性的NCM622薄膜正极材料及其制备与应用制造技术

技术编号:21144716 阅读:27 留言:0更新日期:2019-05-18 06:14
本发明专利技术提供了一种改性的NCM622薄膜正极材料及其制备与应用,所述改性的NCM622薄膜正极材料包括NCM622薄膜基层及均匀包覆于该基层表面的Cu2ZnSnS4薄膜包覆层。该材料有效地解决了现有NCM622材料吸水性较强的问题,其对环境湿度的要求较低,进而提高了该材料的存储性能;此外,该材料的表面水分及残碱均较低,提高了该材料的加工性能及电化学性能;在本发明专利技术所提供的该Cu2ZnSnS4薄膜均匀包覆的NCM622薄膜正极材料中,Cu2ZnSnS4薄膜包覆层还增强了NCM622材料的结构稳定性,降低了该材料与电解液的接触,进而可降低腐蚀,减小界面阻抗,从而达到结构稳定及循环性能改善的效果。

A Modified NCM 622 Thin Film Cathode Material and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种改性的NCM622薄膜正极材料及其制备与应用
本专利技术涉及一种改性的NCM622薄膜正极材料及其制备与应用,属于锂离子电池正极材料

技术介绍
随着化石燃料资源供应的减少及温室气体过度排放导致环境恶化问题的加剧,新型可再生绿色清洁能源的研究和发展越来越重要。因具有较高的工作电压、能量密度、长寿命和对环境友好等特点,锂离子电池已经成为新一代电动汽车、电动工具及电子产品的动力电源。目前,锂离子电池已经广泛应用于能源、交通、通讯等不同的领域之中。2015年末,在科技部下发的新能源汽车试点专项项目中,要求到2020年,我国锂离子动力电池的单体比能量达到300Wh/kg,甚至要达到350Wh/kg。三元材料(NCM)同钴酸锂(LCO)一样,是一种α-NaFeO2型的层状结构材料,隶属于R-3m空间群,可看作是一种“有序岩盐相”,目前其比较常见的合成方法有固相法、共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。具体而言,Liu等以α-MnO2纳米棒为原料,在900℃条件下合成了粒径均一、阳离子混排度低、层状结构良好的NCM333材料,在30次循环之后其能够保持初始容量的93.9%(Highratecharge-dischargeofLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2synthesizedviaalowtemperaturesolid-statemethod,SolidStateIonics,2010,181(33-34):1530-1533.)。Deng等用碳酸铵为沉淀剂,通过碳酸盐共沉淀法制备出了六方球形NCM333材料,材料的尺寸均一,粒径精细,循环性能好(Effectsofprecipitatoronthemorphological,structuralandelectrochemicalcharacteristicsofLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2preparedviacarbonatecoprecipitationJ.AlloysCompd.,2011,509(4):1322-1327.)。Huang等通过温和水热法合成了NCM333超细粉末,其颗粒粒径大致为10nm,颗粒形貌较均一(HydrothermalsynthesisofLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]forlithiumrechargeablebatteries,Ceram.Int.,2010,36(8):2485-2487.)。Nithya等通过柠檬酸辅助溶胶-凝胶法制备了三元系列材料,在2.7-4.9V的电势窗口,0.2C倍率下,材料50次循环后容量可以达到192mAh/g(Microscopicallyporous,interconnectedsinglecrystalcathodematerialforlithiumionbatteries,J.MaterChem,2011,21(29):10777-10784.)。而NCM622也存在一些问题,其中最主要的问题为材料易吸水,从而在其表面容易生成残碱,这将会影响材料的加工性能以及电化学性能;NCM622材料相对于NCM333,由于Ni含量的增加,三元热分解温度降低,放热量增加,因而充放电状态下的热稳定性差;NCM622在高温高电压下的循环稳定不好,在循环过程中,材料会被电解液腐蚀,造成金属离子溶解,界面阻抗增加,结构稳定性降低,循环性能变差。因此,提供一种新型的改性的NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)薄膜正极材料及其制备与应用已经成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述的缺点和不足,本专利技术的一个目的在于提供一种改性的NCM622薄膜正极材料。本专利技术的另一个目的还在于提供所述改性的NCM622薄膜正极材料的制备方法。本专利技术的又一个目的还在于提供所述改性的NCM622薄膜正极材料作为锂离子电池正极材料的应用。本专利技术的再一个目的还在于提供一种锂离子电池,所述锂离子电池的正极材料为所述改性的NCM622薄膜正极材料。为了实现以上的目的,一方面,本专利技术提供了一种改性的NCM622薄膜正极材料,其中,所述改性的NCM622薄膜正极材料包括NCM622薄膜基层及均匀包覆于该基层表面的Cu2ZnSnS4薄膜包覆层。根据本专利技术具体实施方案,优选地,在所述的改性的NCM622薄膜正极材料中,所述Cu2ZnSnS4薄膜包覆层的厚度为5-30nm。另一方面,本专利技术还提供了所述改性的NCM622薄膜正极材料的制备方法,其中,所述方法包括以下步骤:(1)采用脉冲激光沉积(PLD)技术于经预处理后的FTO导电玻璃基片上制备得到NCM622薄膜;(2)采用脉冲激光沉积技术于所述NCM622薄膜上沉积Cu2ZnSnS4薄膜,制备得到所述改性的NCM622薄膜正极材料。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法中,优选地,步骤(1)采用脉冲激光沉积技术于经预处理后的FTO导电玻璃基片上制备得到NCM622薄膜,包括:将NCM622粉末压制成圆形靶,再对该圆形靶进行烧结;在脉冲激光沉积设备中,保持基片与圆形靶之间的距离为30-40mm,将体系抽真空至压力<1×10-4Pa后通入氧气维持体系内气压为15-30Pa,于脉冲频率为5-20Hz的条件下脉冲沉积1-3h;沉积过程中,基片的温度维持在800-900℃;沉积结束后进行退火处理,得到NCM622薄膜。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法中,步骤(1)中所述预处理可以包括:采用丙酮、无水乙醇、去离子水依次对FTO导电玻璃进行超声清洗后烘干,得到所述经预处理后的FTO导电玻璃基片。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法步骤(1)中,优选地,将NCM622粉末在20-30MPa的压力下压制成半径为1-5cm的圆形靶,再对该圆形靶进行烧结。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法步骤(1)中,优选地,所述烧结为于800-900℃烧结5-10h。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法步骤(1)中,优选地,所述退火处理为于500-600℃保持1-3h。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法步骤(1)中,采用PLD技术制备NCM622薄膜,制备过程中在800-900℃对NCM622圆形靶烧结5-10h,随后将体系抽真空至压力<1×10-4Pa后通入氧气维持体系内气压为15-30Pa,该些操作可以使NCM622结晶更完整;此外,控制基片与NCM622圆形靶之间的距离为30-40mm,并且基片可以旋转,使得薄膜生长更加均匀。根据本专利技术具体实施方案,在所述的制备方法中,优选地,步骤(2)采用脉冲激光沉积技术于所述NCM622薄膜上沉积Cu2ZnSnS4薄膜,制备得到所述改性的NCM622薄膜正极材料,包括:将Cu2ZnSnS4粉末压制成圆形靶,该圆形靶的尺寸与步骤(1)中所用圆形靶的尺寸相同;在脉冲激光沉积设备中,以步骤(1)所得附有NCM622薄膜的FTO导电玻璃为基片,保持该基片与所述圆形靶之间的距离为30-40mm,将体系抽真空至压力<1×10-4Pa,于脉冲频率为1-5Hz的条件下脉冲沉积0.5-1h;沉积过程中,基片的温度维持在300-500℃;得到改性的NCM622薄膜正极材料。根据本发本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种改性的NCM622薄膜正极材料,其特征在于,所述改性的NCM622薄膜正极材料包括NCM622薄膜基层及均匀包覆于该基层表面的Cu2ZnSnS4薄膜包覆层。

【技术特征摘要】
1.一种改性的NCM622薄膜正极材料,其特征在于,所述改性的NCM622薄膜正极材料包括NCM622薄膜基层及均匀包覆于该基层表面的Cu2ZnSnS4薄膜包覆层。2.根据权利要求1所述的改性的NCM622薄膜正极材料,其特征在于,所述Cu2ZnSnS4薄膜包覆层的厚度为5-30nm。3.权利要求1或2所述改性的NCM622薄膜正极材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:(1)采用脉冲激光沉积技术于经预处理后的FTO导电玻璃基片上制备得到NCM622薄膜;(2)采用脉冲激光沉积技术于所述NCM622薄膜上沉积Cu2ZnSnS4薄膜,制备得到所述改性的NCM622薄膜正极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)采用脉冲激光沉积技术于经预处理后的FTO导电玻璃基片上制备得到NCM622薄膜,包括:将NCM622粉末压制成圆形靶,再对该圆形靶进行烧结;在脉冲激光沉积设备中,保持基片与圆形靶之间的距离为30-40mm,将体系抽真空至压力<1×10-4Pa后通入氧气维持体系内气压为15-30Pa,于脉冲频率为5-20Hz的条件下脉冲沉积1-3h;沉积过程中,基片的温度维持在800-900℃;沉积结束后进行退火处理,得到NCM622薄膜。5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,将...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘兴亮杨茂萍夏昕李道聪陈厚梅
申请(专利权)人:合肥国轩高科动力能源有限公司
类型:发明
国别省市:安徽,34

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