层状锂‑锰‑镍‑钴氧化物材料的制备制造技术

一种用于制备层状锂‑锰‑镍‑钴氧化物材料的方法，包括制备未加工的层状锂‑锰‑镍‑钴氧化物(LMNC)材料。可选地，在该未加工的层状LMNC材料的制备过程中，当该层状LMNC材料用作电化学电池中的阴极材料时，采用能够提高该层状LMNC材料的性能的掺杂剂。在对该未加工的层状LMNC材料实施退火前，对其进行微波处理。对得到的处理后的材料进行退火，以获得该层状LMNC材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及层状锂-锰-镍-钴氧化物材料的制备。具体涉及用于制备适合用作锂离子电化学电池中的阴极材料的层状锂-锰-镍-钴氧化物材料的方法，以及采用层状锂-锰-镍-钴氧化物材料的电化学电池。随着世界人口迅速增长，能源需求不断增加，化石燃料日益耗尽，致使全球变暖，能源危机突显。为了解决这些问题，致力于锂离子电池研究并用于能源储存的能量转换技术走在了时代前沿。众所周知，层状锂-锰-镍-钴氧化物材料可以用作锂离子电化学电池中的阴极材料；然而，这些已知材料用作阴极材料时，仍存在容量、倍率性能以及容量保持率/循环性能不足等限制。因此，本专利技术的目的是提供一种用于制备层状锂-锰-镍-钴氧化物材料的方法，当该层状锂-锰-镍-钴氧化物材料用作锂离子电化学电池中的阴极材料时，能提高性能。因此，本专利技术的第一方面提供一种用于制备层状锂-锰-镍-钴氧化物材料的方法，包括：制备未加工的层状锂-锰-镍-钴氧化物(LMNC)材料；可选地，在所述未加工的层状LMNC材料的制备过程中，当所述层状LMNC材料用作电化学电池中的阴极材料时，采用能够提高所述层状LMNC材料的性能的掺杂剂；在对所述未加工的层状LMNC材料实施退火前，对其进行微波处理，以获得处理后的材料；以及对所述处理后的材料进行退火，以获得所述层状LMNC材料。该方法的特征在于，所述未加工的层状LMNC材料的制备不包括任何高于600℃温度下的热处理，优选地，不超过550℃，最优选地，不超过500℃。具体地，所述未加工的层状LMNC材料的制备不涉及微波处理前可能使该材料退火的热处理。所述未加工的层状LMNC材料的制备可以包括不超过600℃温度下的热处理，优选地，不超过550℃，通常不超过500℃。当不存在掺杂剂时，层状LMNC材料可以是Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2、Li[Ni0.33Mn0.33Co0.33]O2(也称为“NMC-333”)、Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2(也称为“NMC-442”)等。通常，层状LMNC材料可以是Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2。未加工的层状LMNC材料至少理论上可以通过任何合适的工艺或方法制成，例如改良的Pechini法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等。然而，未加工的层状LMNC材料的制备通常可以采用改良的一步粉末成型Pechini法。因此，所述未加工的层状LMNC材料的制备的实施可以通过：将包括溶解的锂化合物、溶解的锰化合物、溶解的镍化合物、溶解的钴化合物，可选地，溶解的掺杂剂化合物、羟基羧酸、聚羟基醇的溶液保持在高温T1下，直到所述溶液形成凝胶，其中T1低于所述溶液的沸点；将所述凝胶保持在高温下，直到其着火并燃烧形成Li--Mn--Ni--Co--O粉末；以及煅烧所述Li--Mn--Ni--Co--O粉末，以将粉末中的碳和/或其他杂质燃烧尽，从而获得所述未加工的层状LMNC材料。该方法可以包括制作锂化合物、锰化合物、镍化合物、钴化合物，可选地，溶解的掺杂剂化合物、羟基羧酸、聚羟基醇的溶液。溶液的制作可以包括将溶剂中溶解的锂化合物的溶液、溶剂中溶解的锰化合物的溶液、溶剂中溶解的镍化合物的溶液、溶剂中溶解的钴化合物的溶液，可选地，溶剂中溶解的掺杂剂化合物的溶液、羟基羧酸、聚羟基醇混合在一起。最初，锂化合物、锰化合物、镍化合物、钴化合物，以及可选地，掺杂剂化合物中的每一种化合物可以是各自溶解的单独溶液，优选地，它们全部溶解在同一种溶剂中，然后，包括溶解的锂、锰、镍、钴，可选地，掺杂剂、化合物的单一溶液与羟基羧酸和聚羟基醇混合。优选地，锂、锰、镍、钴化合物是溶于水的，因此，水，优选地去离子水可以用作该溶液的溶剂。因此，具体地，可以使用锂、锰、镍、钴的硝酸盐，即可以使用LiNO3、Mn(NO3)2(具体为Mn(NO3)2.4H2O)、Ni(NO3)2(具体为Ni(NO3)2.6H2O)以及Co(NO3)2(具体为Co(NO3)2.6H2O)。因此，该溶液中可以包含LiNO3、Mn(NO3)2.4H2O、Ni(NO3)2.6H2O以及Co(NO3)2.6H2O的必要化学计量，以得到可作为最终产品的Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2。当上文所述的掺杂剂出现时，被选择用以提高生成的层状LMNC材料的电化学性能，具体如稳定性。该掺杂剂可以是元素周期表中IIA、IIIA或IVA族中的元素。更具体地，该掺杂剂可以是铝、锗或镁；但是，优选地，该掺杂剂可以是元素周期表中IIIA族中的元素，具体如铝。因此，这类掺杂剂化合物也是溶于水的，可以是硝酸铝，例如AlN3O9.9H2O。当出现该掺杂剂时，最终产品将是层状锂-锰-镍-钴-铝氧化物(LMNCA)材料。具体地，最终产品可以是Li[Li0.2Mn0.52Ni0.13Co0.13Al0.02]O2。优选地，采用掺杂剂和微波处理均可实施。金属化合物，即锂、锰、镍、钴化合物，除了硝酸盐以外，可以替换为任意其他金属盐(由弱酸和强酸衍生的，例如硫酸盐、碳酸盐、卤化物和醋酸盐等)。羟基羧酸作为还原剂，可以是柠檬酸。多羟基醇可以是乙二醇和聚乙二醇。溶液中柠檬酸和乙二醇可以以合适的摩尔比率存在，例如柠檬酸比乙二醇约为1:4。柠檬酸最初可以以溶液的形式存在于水中，具体为去离子水。该方法可以包括：首先将柠檬酸溶液和乙二醇的混合物搅拌并加热至温度T1；然后，将锂、锰、镍、钴以及，如果出现的话，铝的硝酸盐的溶液缓慢，例如逐滴，加入柠檬酸/乙二醇溶液中。如上文所述，该溶液中包含锂、锰、镍、钴以及，如果出现的话，铝的化合物的溶剂；溶解的锂、锰、镍、钴以及，如果出现的话，铝的化合物；羟基羧酸和多羟基醇，T1低于该溶液的沸点。重要的是T1要低于该溶液的沸点，以防止该溶液的溶剂以及其他成分过早蒸发，即防止凝胶形成反应(聚合物凝胶形成)完成前出现此类蒸发。当该溶剂为上文所说的水时，90℃≤T1<100℃。优选地，T1可以约为90℃。该凝胶所保持的高温为T2，其中90℃≤T2<100℃。优选地，T2与T1相同。即，优选地，该溶液保持在T1下，直到形成全部或足够的凝胶，然后该凝胶保持在T1下，直到其着火并燃烧形成Li-Mn-Ni-Co-O粉末，或，当铝作为掺杂剂出现时，Li-Mn-Ni-Co-Al-O粉末。必须使该溶液保持在T1下用于完成凝胶形成和溶液液体成分的蒸发以及保持凝胶状态直到燃烧的时间t1依赖于溶液的体积、T1等因素，但通常至少为30分钟。Li-Mn-Ni-Co-O或Li-Mn-Ni-Co-Al-O粉末的煅烧可以在温度T3下实施。因此，T3要足够高使粉末中出现的碳和/或其他杂质燃尽。因此，煅烧会在非还原环境中实施，优选地，在氧化环境中实施。因此，T3可以低至300℃到350℃。然而，更优选地，400℃≤T3<600℃；通常，T3约为500℃。煅烧可以持续时间段t2，t2应足够长可以使碳和/或其他杂质燃尽，达到期望程度，同时，t2也依赖于粉量、T3等因素。因此，优选地，t2<12小时；通常，t2可以约为6小时。处理后材料或粉末的退火可以在温度T4下实施。因此，T4要足够高以使粉末结晶。因此，优选地，700℃≤T4≤90本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备层状锂‑锰‑镍‑钴氧化物材料的方法，包括：制备未加工的层状锂‑锰‑镍‑钴氧化物(LMNC)材料；可选地，在所述未加工的层状LMNC材料的制备过程中，当所述层状LMNC材料用作电化学电池中的阴极材料时，采用能够提高所述层状LMNC材料的性能的掺杂剂；在对所述未加工的层状LMNC材料实施退火前，对其进行微波处理，以获得处理后的材料；以及对所述处理后的材料进行退火，以获得所述层状LMNC材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.03 ZA 2014/049121.一种用于制备层状锂-锰-镍-钴氧化物材料的方法，包括：制备未加工的层状锂-锰-镍-钴氧化物(LMNC)材料；可选地，在所述未加工的层状LMNC材料的制备过程中，当所述层状LMNC材料用作电化学电池中的阴极材料时，采用能够提高所述层状LMNC材料的性能的掺杂剂；在对所述未加工的层状LMNC材料实施退火前，对其进行微波处理，以获得处理后的材料；以及对所述处理后的材料进行退火，以获得所述层状LMNC材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未加工的层状LMNC材料的制备不包括任何高于600℃温度下的热处理。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述未加工的层状LMNC材料的制备包括不高于600℃温度下的热处理。4.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述层状LMNC材料是Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2，Li[Ni0.33Mn0.33Co0.33]O2或Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述掺杂剂是元素周期表中IIA、IIIA或IVA族中的元素。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述掺杂剂是铝。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述层状LMNC材料是Li[Li0.2Mn0.52Ni0.13Co0.13Al0.02]O2。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，制备所述未加工的层状LMN...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·I·奥佐米纳，C·J·贾夫塔，
申请(专利权)人：科学与工业研究理事会，
类型：发明
国别省市：南非;ZA