本发明专利技术公开了一种两步法制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法。先将镍盐、钴盐、铝盐与水解剂和表面活性剂一起水热反应，形成氧化镍钴铝前驱材料；然后添加锂源和络合剂得到凝胶；再在高温焙烧后得到明显层状结构、且原子排列规律有序的纳米尺度材料。本发明专利技术原材料来源广泛，操作工艺简单、所需设备成本低，煅烧温度低，节约了生产成本，合成的镍钴铝锂的粒径细小，均匀，结晶度高，使其具有较好的可逆容量和良好的循环寿命，能满足锂离子电池实际生产应用的需要。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备锂离子电池正极材料的方法，具体涉及一种两步法技术制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法，属于电池材料制备领域。
技术介绍
锂离子电池相较铅酸电池而言，有着寿命长、使用安全、可快速充放电、耐高温、比容量大、绿色环保等优点，因此被广泛应用在通讯、交通等行业。锂离子电池正极材料镍钴铝锂(LiNi1-x-yCoxAlyO2，也称为NCA)是基于层状的LiCoO2、LiNiO2结构的材料，是目前正极材料研究的一个新方向。它有着高理论容量(274mAh/g)、低成本、低毒性、热稳定性好的优点，被认为非常有希望应用在高能量、高功率动力电池上，特别是电动汽车。传统的合成镍钴铝锂的方法有高温固相法、共沉淀法、溶胶凝胶法等。高温固相法焙烧温度高时间长，浪费能源，且粒度和形貌难以控制。朱先军等(朱先军，詹晖，周运鸿.LiNi0.85Co0.10Al0.05O2正极材料合成及表征[J].稀有金属材料与工程,2005,34(12):1862-1865)将分析纯原料LiOH·H2O，Ni2O3，Co2O3和Al(OH)3按一定的计量比分别称量、混合、研磨，预烧后再研磨、压片，于氧气中725℃焙烧24h即得产物LiNi0.85Co0.10Al0.05O2。但是颗粒形貌和尺寸不均匀，所以导致循环性能较为一般。共沉淀法制备的材料容易团聚，呈片状和多角形，物理性能不佳，实用价值不大。H.Cao等(Hui Cao,Baojia Xia,Naixin Xu,et al.Structural and electrochemical characteristics of Co and Al co-doped lithium nickelate cathode materials for lithium-ion batteries[J],Journal of Alloys and Compounds,2004,376:282-286)采用常规共沉淀法制备了LiNi0.8Co0.2-xAlxO2(0≤x≤0.2)正极材料。虽然循环性能尚可，但是初始容量较低，只有160mAh/g。溶胶凝胶法难以控制颗粒形貌，且易形成团聚。C.J.Han等(Chang Joo Han,Jang Hyuk Yoon,Ho Jang,et al.Electrochemical properties of LiNi0.8Co0.2-xAlxO2prepared by a sol-gel method[J].J Power Sources.2004,136:132-138)以丙稀酸为络合剂，锂、镍、钴的醋酸盐和硝酸铝为原料制备出了镍钴铝锂材料。但是由于颗粒尺寸较大，且团聚严重，所以循环性能较为一般。目前国内合成镍钴铝锂主要采用共沉淀法和喷雾干燥法。采用共沉淀法的有如下一些专利。中国专利CN201010624564.4公开了一种锂离子正极材料镍钴铝酸锂的制备方法，采用镍钴铝的金属盐溶液和沉淀剂沉淀合成镍钴铝前驱体。铝离子较难与镍钴离子形成均相共沉淀，很难达到镍钴铝元素均匀分布的目的，将会导致铝在镍钴铝酸锂材料中分布不均匀，影响材料的电性能，尤其是循环性能。也有在此基础上采用络合—共沉淀法制备的镍钴铝复合氢氧化物或碳酸盐沉淀，再将此前驱体与锂源按一定比例混合后，在氧气氛中高温烧结而成。例如中国专利CN20130055624.9,等。由于Al3+的引入，与镍钴难以形成单一的层状结构，晶格有序性变差，导致颗粒球形形貌变差，流动性下降，得到的前驱体振实密度较低。采用喷雾干燥法的有如下专利。中国专利CN201410206372.X提出了一种采用两步喷雾干燥制备镍钴铝酸锂正极材料的方法。其中要配合球磨并且在氧气气氛中长时间高温焙烧，工艺复杂而且能耗很大。中国专利CN201310697497.2提出了一种锂离子电池镍钴铝复合三元正极材料的制备方法。跟本专利相似的是，采用结晶法先形成Ni0.75Co0.15Al0.1(OH)2.05前驱体。但是该专利后续采用的是高温焙烧合成NCA最终材料。该专利并没有控制前驱体形貌，且后续采用的是固相反应法，更难以控制颗粒尺度和形貌。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种两步法技术制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法。此方法用料来源广泛，成本低，易于控制，形成的材料颗粒均匀细小，电化学性能优良。本方法可适用于工业化大规模生产。实现本专利技术的技术方案为：一种两步法制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法，包括以下实施步骤：(1)将一定化学计量比的镍源、钴源、铝源、水解剂和表面活性剂溶于水中，在室温下搅拌得到混合溶液，将其转移入反应釜中，于110-130℃水热反应6～10h；(2)将反应釜中沉淀取出，干燥后研磨成粉末；(3)将所得粉末在空气中300℃烧结3～4h，自然冷却到室温，得到棒状氧化镍钴铝；(4)将步骤(3)所得氧化镍钴铝和一定化学计量比的锂源和柠檬酸溶于水中，在室
温下搅拌得到悬浊液，将此悬浊液于80～90℃水浴搅拌得到凝胶；(5)凝胶干燥后研磨成粉末；(6)将粉末放置在空气中750℃下烧结2～4h，自然冷却到室温，即得LiNi0.80Co0.15Al0.05O2。其中，步骤(1)中，所述的镍源、钴源、铝源、水解剂的摩尔比为0.80:0.15:0.05:1；所述的镍源为硝酸镍；钴源为硝酸钴；铝源为硝酸铝；水解剂为草酸铵，表面活性剂为三乙醇胺；混合溶液中水解剂浓度为0.35M；表面活性剂与水的体积比例为1:40。步骤(1)中，室温下搅拌1h；反应釜内溶液体积占40％；水热反应优选120℃下6h。步骤(2)中，干燥采用60～80℃下真空烘干。步骤(3)中，升温速率为5～10℃/min。步骤(4)中，锂源、氧化镍钴铝、柠檬酸的摩尔比为1.04:1:1，锂源为硝酸锂。步骤(5)中，干燥温度为110℃～150℃。步骤(6)中，升温速率为5～10℃/min。本专利技术与其现有技术相比，具有以下几个显著优点：(1)采用的柠檬酸法，降低了烧结温度，减少了烧结时间，节约了在生产过程中的能耗，从而大幅度降低了生产成本；(2)通过两步合成的方式得到的材料颗粒粒径均匀可控，结晶度好，一致性高，从而提升了材料的电化学性能；(3)本方法简单易行，制备工艺、所需设备较为简单，成本低，有利于大规模工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1中所得的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的XRD图。图2为本专利技术实施例1中所得的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的第二次充放电图。图3为本专利技术实施例1中所得的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的循环性能图。图4为本专利技术实施例1中所得的棒状Ni0.80Co0.15Al0.05O的SEM图。图5为本专利技术实施例1中所得的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的SEM图。图6为本专利技术实施例2中制备的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的0.1c倍率充放电条件下第二次充放电图。图7为本专利技术实施例2中制备的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的1c倍率充放电条件下50本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种两步法制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将镍源、钴源、铝源、水解剂和表面活性剂溶于水中，在室温下搅拌得到混合溶液，将其转移入反应釜中，于110‑130℃水热反应6～10h；(2)将反应釜中沉淀取出，干燥后研磨成粉末；(3)将所得粉末在空气中300℃烧结3～4h，自然冷却到室温，得到棒状氧化镍钴铝；(4)将步骤(3)所得氧化镍钴铝、锂源和柠檬酸溶于水中，在室温下搅拌得到悬浊液，将此悬浊液于80～90℃水浴搅拌得到凝胶；(5)凝胶干燥后研磨成粉末；(6)将粉末放置在空气中750℃下烧结2～4h，自然冷却到室温，即得LiNi0.80Co0.15Al0.05O2。
【技术特征摘要】
1.一种两步法制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将镍源、钴源、铝源、水解剂和表面活性剂溶于水中，在室温下搅拌得到混合溶液，将其转移入反应釜中，于110-130℃水热反应6～10h；(2)将反应釜中沉淀取出，干燥后研磨成粉末；(3)将所得粉末在空气中300℃烧结3～4h，自然冷却到室温，得到棒状氧化镍钴铝；(4)将步骤(3)所得氧化镍钴铝、锂源和柠檬酸溶于水中，在室温下搅拌得到悬浊液，将此悬浊液于80～90℃水浴搅拌得到凝胶；(5)凝胶干燥后研磨成粉末；(6)将粉末放置在空气中750℃下烧结2～4h，自然冷却到室温，即得LiNi0.80Co0.15Al0.05O2。2.如权利要求1所述的两步法制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法，其特征在于，步骤(1)中，镍源、钴源、铝源、水解剂的摩尔比为0.80:0.15:0.05:1；镍源为硝酸镍；钴源为硝酸钴；铝源为硝酸铝；水解剂为草酸铵；表面活性剂为三乙醇胺。3.如权利要求1所述的两步法制备锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的方法，其特征在于，步骤(1)中，混合溶液中水解剂浓度为0....
【专利技术属性】
技术研发人员：朱冰滢，吴状春，张怀青，钟燕，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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