钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料的制备方法，可作为锂离子电池正极活性材料，具有α-NaFeO2层状结构，属空间群，其颗粒大小为100-300nm，且颗粒之间团聚在一起，本发明专利技术主要是通过简单易行的共沉淀法结合固相烧结法制备了钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料，其作为锂离子电池正极活性材料时，表现出功率高、循环稳定性好的特点；其次，本发明专利技术工艺简单，通过简单易行的并流加料即可得到前驱体浆体，对浆体进行离心洗涤干燥和空气气氛下固相烧结即可得到钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料。该方法可行性强，易于放大化，符合绿色化学的特点，利于市场化推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及钒掺杂锂镍钴锰氧化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)纳米材料的制备方法，该材料可作为锂离子电池正极活性材料。
技术介绍
如今，为了进一步促进电动汽车领域的快速发展，研究基于新型纳米结构的高容量、高功率、高稳定性、温度适应性好及低成本锂离子电池是当前低碳经济时代锂离子电池研究的前沿和热点之一。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2综合了LiNiO2，LiCoO2和LiMnO2这3类材料的优点，形成了LiNiO2/LiCoO2/LiMnO2的共溶体系，存在明显的三元协同作用。具有价格低廉、易合成、理论容量高、电化学性能稳定及安全性好等优点被认为是最具潜力的锂离子电池正极材料之一。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有α-NaFeO2层状结构，属空间群。其中Ni/Co/Mn分别主要以2+/3+/4+存在于晶格中，在充放电过程中，Ni2+、Co3+为活性物质参与电化学反应，Mn4+为非活性物质不参与电化学反应，但可提高晶体结构的稳定性，同时降低了正极材料的成本。通过分析影响材料电化学性能机理，对其进行改性，产品电化学性能得以不断提高，目前LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2已经走向实用化，但对该材料的实用性而言，还有问题要解决：(1)由于Ni2+半径与Li+接近，合成时Ni2+易进入锂位，引起位错，导致首次放电效率不高，第一次放电容量损失较大；(2)锂离子扩散系数小，高电位下容量衰减较快，大电流充放电性能较差及脱锂后的化合物热力学稳定性还不够理想，易引起氧缺失和相变。针对这些问题，借已有的研究成果，相关学者对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料进行了广泛而细致的体相掺杂和表面包覆改性研究。对正极材料进行掺杂改性可提高材料在充放电前后结构稳定性，抑制相变产生，提高脱锂度，增大材料容量，提高材料导电率。根据晶体化学理论，有时微量外来组元掺杂导致晶体缺陷，可以提高离子在体相扩散速率；根据能带理论，对于半导体化合物采用高价或低价离子掺杂可形成p型或n型半导体，从而提高晶体导电率。近年来，研究者们探索了不同金属元素(Mg、Al、Zr、Ti、Na、Fe、Ru等)掺杂对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料电化学性能的影响。但是，微量钒取代的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料还鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及其制备方法，其工艺简单、符合绿色化学的要求且便于放大化，在此基础上，钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2还具有优良的电化学性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料，具有α-NaFeO2层状结构，属空间群，其颗粒大小为100-300nm，且颗粒之间团聚在一起，其为下述方法所得产物，包括有以下步骤：1)将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰加入到蒸馏水中，搅拌溶解，得到金属盐溶液；2)称取与金属盐摩尔比为1:1的碳酸盐沉淀剂，将其加入到蒸馏水中得到透明溶液，搅拌均匀；3)量取少量浓氨水稀释后作为底液；在持续磁力搅拌条件下，将步骤1)和2)所得溶液同时滴加到步骤3)中的氨水溶液中，控制反应pH值在8.0；4)常温或65℃水浴搅拌24～72h后得到泥土色浆体，离心洗涤后烘干得到前驱体粉末；5)将前驱体粉末在马弗炉中预烧后，与五氧化二钒和锂源在酒精中分散混合均匀，搅拌烘干得到粉末；6)将步骤5)得到的粉末稍微研磨后再进行煅烧，最终得到黑色的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料。按上述方案，步骤2)所述的碳酸盐沉淀剂为Na2CO3和NH4HCO3中的任意一种或它们的混合。按上述方案，步骤3)所述的锂源为LiAc、Li2CO3、LiNO3、LiOH中的任意一种或它们的混合。按上述方案，步骤5)所述的预烧温度为500℃，时间为5小时，步骤6)所述的煅烧温度为800-900℃，时间为12～20小时。所述的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料的制备方法，包括有以下步骤：1)将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰加入到蒸馏水中，搅拌溶解，得到金属盐溶液；2)称取与金属盐摩尔比为1:1的碳酸盐沉淀剂，将其加入到蒸馏水中得到透明溶液，搅拌均匀；3)量取少量浓氨水稀释后作为底液；在持续磁力搅拌条件下，将步骤1)和2)所得溶液同时滴加到步骤3)中的氨水溶液中，控制反应pH值在8.0；4)常温或65℃水浴搅拌24～72h后得到泥土色浆体，离心洗涤后烘干得到前驱体粉末；5)将前驱体粉末在马弗炉中预烧后，与五氧化二钒和锂源在酒精中分散混合均匀，搅拌烘干得到粉末；6)将步骤5)得到的粉末稍微研磨后再进行煅烧，最终得到黑色的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料。所述的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料作为锂离子电池正极活性材料的应用。本专利技术钒掺杂锂镍钴锰氧化物电极材料具有短的离子传输路径，高的离子扩散速率和电子导电性。钒取代导致晶格中的三价Mn含量增加，充放电过程中三价锰离子通过价态的改变来提高晶格稳定性和电子导电性，降低了电极材料在快速充放电过程中产生的极化最终实现LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2电极材料在高功率、长寿命电极材料领域的应用，使其成为电动汽车用锂离子电池的潜在应用材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术主要是通过简单易行的共沉淀法结合固相烧结法制备了钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料，其作为锂离子电池正极活性材料时，表现出功率高、循环稳定性好的特点；其次，本专利技术工艺简单，通过简单易行的并流加料即可得到前驱体浆体，对浆体进行离心洗涤干燥和空气气氛下固相烧结即可得到钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料。该方法可行性强，易于放大化，符合绿色化学的特点，利于市场化推广。附图说明图1是本专利技术实施例1的钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料的XRD图；图2是本专利技术实施例1的钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料的SEM图；图3是本专利技术实施例1的钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料的TEM图；图4是本专利技术实施例1的钒掺杂锂镍钴锰氧化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纳米材料的常温电池循环性能图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，本文档来自技高网...

【技术保护点】
钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料，具有α‑NaFeO2层状结构，属R3_m空间群，其颗粒大小为100‑300nm，且颗粒之间团聚在一起，其为下述方法所得产物，包括有以下步骤：1)将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰加入到蒸馏水中，搅拌溶解，得到金属盐溶液；2)称取与金属盐摩尔比为1:1的碳酸盐沉淀剂，将其加入到蒸馏水中得到透明溶液，搅拌均匀；3)量取少量浓氨水稀释后作为底液；在持续磁力搅拌条件下，将步骤1)和2)所得溶液同时滴加到步骤3)中的氨水溶液中，控制反应pH值在8.0；4)常温或65℃水浴搅拌24～72h后得到泥土色浆体，离心洗涤后烘干得到前驱体粉末；5)将前驱体粉末在马弗炉中预烧后，与五氧化二钒和锂源在酒精中分散混合均匀，搅拌烘干得到粉末；6)将步骤5)得到的粉末稍微研磨后再进行煅烧，最终得到黑色的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料。

【技术特征摘要】
1.钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料，具有α-NaFeO2层状结构，属R3_m空间群，其颗粒
大小为100-300nm，且颗粒之间团聚在一起，其为下述方法所得产物，包括有以下步骤：
1)将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰加入到蒸馏水中，搅拌溶解，得到金属盐溶液；
2)称取与金属盐摩尔比为1:1的碳酸盐沉淀剂，将其加入到蒸馏水中得到透明溶液，搅
拌均匀；
3)量取少量浓氨水稀释后作为底液；在持续磁力搅拌条件下，将步骤1)和2)所得溶
液同时滴加到步骤3)中的氨水溶液中，控制反应pH值在8.0；
4)常温或65℃水浴搅拌24～72h后得到泥土色浆体，离心洗涤后烘干得到前驱体粉末；
5)将前驱体粉末在马弗炉中预烧后，与五氧化二钒和锂源在酒精中分散混合均匀，搅拌
烘干得到粉末；
6)将步骤5)得到的粉末稍微研磨后再进行煅烧，最终得到黑色的钒掺杂锂镍钴锰氧化
物纳米材料。
2.根据权利要求1所述的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料，其特征在于，步骤2)所述
的碳酸盐沉淀剂为Na2CO3和NH4HCO3中的任意一种或它们的混合。
3.根据权利要求1所述的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料，其特征在于，步骤3)所述
的锂源为LiAc、Li2CO3、LiNO3、LiOH中的任意一种或它们的混合。
4.根据权利要求1所述的钒掺杂锂镍钴锰氧化物纳米材料，其特征在于，步骤5)所述
的预烧温度为500℃，时间为5小时，步骤6)所述的煅烧温度为800-900℃，时间为12～20
小时。
5.权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，胡正耀，王洛洛，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42