本发明专利技术涉及一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法，所述三元高镍正极材料为LiNi1‑x‑yCoxAlyO2(1‑x‑y>0.5，0<x<1，0<y<1)，该方法为：将锂源、镍源、钴源、铝源混合溶解于去离子水中，加入谷氨酸和氟化钠得到混合溶液；将混合溶液制成干凝胶；加热并保温，使干凝胶自蔓延燃烧完全生成蓬松粉体；将粉体进行热处理，得到镍钴铝酸锂正极材料。本发明专利技术使用谷氨酸作为溶胶剂，氟化钠为催化剂进行溶胶凝胶自蔓延燃烧制备镍钴铝酸锂。该方法能够提高材料的倍率性能，改善材料的循环稳定性，其首次循环放电比容量达到了270‑320mAh/g；同时可降低对热处理设备的需求，具有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法
本专利技术涉及电池材料制备领域，具体涉及一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法。
技术介绍
随着新能源汽车的大力发展，锂离子电池产业已经进入快速发展阶段。影响锂离子电池性能的关键材料主要有正极材料、负极材料、电解液等。其中，正极材料是目前限制电池性能的主要因素，同时也是占锂离子电池成本较高的主要因素，接近40％。近年来研究最多的正极材料主要有磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料。其中三元材料在成本和综合性能方面有着较为突出的优势，已经逐渐成为主流的技术路线。三元材料主要有镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂材料，在能量密度和循环寿命方面，高镍的镍钴铝酸锂正极材料表现十分优异。目前镍钴铝酸锂的合成主要技术路线为通过共沉淀法得到前驱体，随后再进行热处理过程得到最终产品。该技术路线铝元素分布均匀，生产流程简单、成本低，但前驱体的制备技术时间较长、难度较大。因此研究新的快速、简易的制备方法，对镍钴铝酸锂的大力发展有着十分积极的推动作用。溶胶凝胶自蔓延燃烧法是一种快速制备均匀超细多组分氧化物粉末的工艺。CN103400979A提供了一种制备锂离子电池正极材料的自蔓延燃烧分解法，该方法为：将可溶性锂、镍、钴、锰的化合物按通式LiaNixCoyMnzO2中各原子摩尔比溶于去离子水中，搅拌加热至200-600℃，使其充分反应并发生自蔓延燃烧分解，将燃烧分解的产物经压实后置于高温炉中850-950℃烧结8-24h，自然冷却至室温得到目标产物。该专利技术的方法合成工艺简单，能耗低，缺点是倍率性能不足，导致材料的应用受到了限制。此外，CN106129381A、CN104681807A或CN104009221A等专利中均涉及到了利用自蔓延燃烧法制备锂离子电池正极材料，但同样存在上述问题。利用溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备锂离子电池正极材料，需要解决的首要问题就是使用传统的柠檬酸、硝酸盐作为溶胶剂时，燃烧不够充分使最终得到的正极材料分散度较差，从而导致倍率性能不足。此外，硝酸盐作为溶胶剂在燃烧过程中会产生大量的NO或NO2，会导致空气污染。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法，利用谷氨酸作为溶胶剂，配合氟化钠的催化作用，利用溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备镍钴铝酸锂正极材料，该材料具有优异的倍率性能，首次循环放电比容量达到了270-320mAh/g。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法，所述三元高镍正极材料为LiNi1-x-yCoxAlyO2(1-x-y>0.5，0<x<1，0<y<1)，所述方法包括以下步骤：(1)将锂源、镍源、钴源、铝源按上述分子式的摩尔比混合溶解于去离子水中，加入谷氨酸和氟化钠，搅拌后得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的混合溶液加热至水分蒸发得到溶胶，将所得溶胶烘干得到干凝胶；(3)将步骤(2)得到的干凝胶加热并保温，使干凝胶自蔓延燃烧完全生成蓬松粉体；(4)将步骤(3)得到的粉体进行热处理，得到LiNi1-x-yCoxAlyO2正极材料。本专利技术以谷氨酸作为溶胶剂，使用氟化钠作为催化剂，二者发生协同作用，使燃烧过程更为充分，得到颗粒在纳米级别分散程度较高的复合氧化物粉末，大幅度提高材料的倍率性能。根据本专利技术，步骤(1)所述锂源为硝酸锂，镍源为硝酸镍，钴源为硝酸钴，铝源为硝酸铝。本专利技术为了弥补燃烧过程中锂的损失，锂源需过量5-20％，例如可以是5％、8％、10％、12％、15％、18％或20％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(1)所述混合溶液中金属离子的浓度为0.01-10mol/L，例如可以是0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、3mol/L、4mol/L、5mol/L、6mol/L、7mol/L、8mol/L、9mol/L或10mol/L，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(1)所述混合溶液中谷氨酸与金属离子的摩尔比为(0.5-4):1，例如可以是0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1或4:1，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(1)所述混合溶液中氟化钠和谷氨酸的摩尔比为(0.1-2):1，例如可以是0.1:1、0.3:1、0.5:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.5:1、1.8:1或2:1，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。本专利技术在步骤(2)中将步骤(1)得到的混合溶液加热蒸发得到溶胶后再烘干得到干凝胶；然后将干凝胶点燃进行后续自蔓延燃烧。类似的，本专利技术也可以省去步骤(2)制备干凝胶的步骤，而将步骤(1)得到的混合溶液直接放入烘箱中烘干点燃进行自蔓延燃烧。对于本专利技术而言，将混合溶液烘干点燃进行自蔓延燃烧的过程不构成对本专利技术的限制。根据本专利技术，步骤(2)所述加热的温度为50-100℃，例如可以是50℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(2)所述烘干的温度为60-100℃，例如可以是60℃、63℃、67℃、70℃、72℃、75℃、78℃、83℃、86℃、90℃、92℃、95℃、98℃或100℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(3)所述加热的温度为200-400℃，例如可以是200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃或400℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(3)所述保温的时间为0.5-10h，例如可以是0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，步骤(4)所述热处理的操作为：先将步骤(3)得到的粉体在氧气气氛下进行预烧结，然后升温进行烧结，烧结完成后冷却。根据本专利技术，所述预烧结的升温速率为1-30℃/min，例如可以是1℃/min、3℃/min、6℃/min、10℃/min、12℃/min、15℃/min、18℃/min、20℃/min、23℃/min、26℃/min或30℃/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述预烧结的温度为400-600℃，例如可以是400℃、430℃、450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、570℃或600℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述预烧结的时间为6-12h，例如可以是6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h、9本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法，其特征在于，所述三元高镍正极材料为LiNi1‑x‑yCoxAlyO2(1‑x‑y>0.5，0<x<1，0<y<1)，所述方法包括以下步骤：(1)将锂源、镍源、钴源、铝源按上述分子式的摩尔比混合溶解于去离子水中，加入谷氨酸和氟化钠，搅拌后得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的混合溶液加热至水分蒸发得到溶胶，将所得溶胶烘干得到干凝胶；(3)将步骤(2)得到的干凝胶加热并保温，使干凝胶自蔓延燃烧完全生成蓬松粉体；(4)将步骤(3)得到的粉体进行热处理，得到LiNi1‑x‑yCoxAlyO2正极材料。
【技术特征摘要】
1.一种溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备三元高镍正极材料的方法，其特征在于，所述三元高镍正极材料为LiNi1-x-yCoxAlyO2(1-x-y>0.5，0<x<1，0<y<1)，所述方法包括以下步骤：(1)将锂源、镍源、钴源、铝源按上述分子式的摩尔比混合溶解于去离子水中，加入谷氨酸和氟化钠，搅拌后得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的混合溶液加热至水分蒸发得到溶胶，将所得溶胶烘干得到干凝胶；(3)将步骤(2)得到的干凝胶加热并保温，使干凝胶自蔓延燃烧完全生成蓬松粉体；(4)将步骤(3)得到的粉体进行热处理，得到LiNi1-x-yCoxAlyO2正极材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述锂源为硝酸锂，镍源为硝酸镍，钴源为硝酸钴，铝源为硝酸铝；优选地，所述锂源需过量5-20％，以弥补燃烧过程中的锂损失。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合溶液中金属离子的浓度为0.01-10mol/L。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合溶液中谷氨酸与金属离子的摩尔比为(0.5-4):1；优选地，步骤(1)所述混合溶液中氟化钠和谷氨酸的摩尔比为(0.1-2):1。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述加热的温度为50-100℃；优选地，步骤(2)所述烘干的温度为60-100℃。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述加热的温度为200-400℃...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，夏青，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11
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