一种锂电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池正极材料及其制备方法，包括步骤一，以硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰、氢氧化钠、氨水为原料，采用共沉淀法制备球状前驱体，其化学式为(NixCoyMnz)(OH)2，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1；步骤二，采用高温固相法，将步骤一中的前驱体与氢氧化锂粉末均匀混合后先在400‑500℃加热5小时；再与氟化锂混合，混合物750‑1000℃条件下烧结10‑20小时，即制备得到锂离子电池正极材料，其化学式为Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2‑aFa，其中，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1，0.002≤a≤0.02；本发明专利技术还提供了一种应用上述正极材料制备的锂离子电池。本发明专利技术中锂离子电池正极材料制备过程简单，原料成本低，能量密度高，以此正极材料制备的锂离子电池性能卓越。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池正极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池正极材料研究开发领域，具体涉及一种锂电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
全球范围内出现了日益严峻的能源和环境问题，传统化石能源的日益匮乏加快了人们对高性能能量储存器件的研究，锂离子电池因其具有能量密度高、使用寿命长、对环境友好等方面的优点而被广泛使用。在锂离子电池的构造中，正极材料决定了整个锂离子电池的总容量，是锂离子电池发展过程中的症结所在。目前商品化正极材料多为钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元正极材料等，随着锂离子电池技术的成熟化，对原材料的需求量大幅增加，对能量密度的要求也越来越高，钴酸锂和普通的镍钴锰三元正极材料的价格不断升高，能量密度的提升有限，近年来低成本、高能量密度的富锂锰基电极材料成为研究的热点。Li-Ni-Co-Mn体系层状正极材料相比于传统的正极材料具有更高的理论比容量，层状结构锂离子传输的通道为整个锂离子层的平面二维通道，从而具有更快的锂离子传输速度，在较大的电流下有更好的性能，同时也具有更高的循环性能。另外，Li-Ni-Co-Mn体系层状正极材料使用锰、镍元素，造价低廉，使用钴元素，绿色无毒，所以该体系正极材料对环境友好，并且成本较低。共沉淀法是工业生产中常用的较大规模生产电极材料一种实用方法，相比于固相法，共沉淀法虽然成本较高，但是在材料颗粒尺寸的控制以及材料的纯度上会有很大的优势。如申请号为201610284398.5名为《一种高性能富锂锰基正极材料的合成方法》的中国专利技术专利，提供了一种高性能富锂锰基正极材料的合成方法：首先采用共沉淀法合成Ni0.19Co0.13Mn0.68(OH)2前驱体；然后将前驱体与LiOH·H2O混合烧结得到Li1.2Ni0.15Co0.10Mn0.55O2；最后将Al(NO3)3·9H2O加入乙醇溶液中，再加入一定质量的Li1.2Ni0.15Co0.10Mn0.55O2，搅拌一段时间，再加入一定浓度的LiOH·H2O，调节pH，水浴加热、干燥、烧结，最终得到经过合成纳米氧化铝包覆后的高性能富锂锰基正极材料。上述富锂锰基正极材料需制备纳米氧化铝包覆层，制备过程较为复杂。
技术实现思路
为了解决所述现有技术的不足，本实专利技术提供了一种锂离子电池正极材料，化学式为Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa；本专利技术还提供了上述锂离子电池正极材料的制备方法以及一种应用该正极材料制备的锂离子电池。本专利技术锂离子电池正极材料制备过程简单，原料成本低，能量密度高，以此正极材料制备的锂离子电池性能卓越。本专利技术所要达到的技术效果通过以下方案实现：本专利技术中提供的锂离子电池正极材料，化学式为Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa，其中，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1，0.002≤a≤0.02。进一步的，所述锂离子正极材料为层状晶体结构；所述正极材料颗粒平均直径为4-6μm；所述正极材料颗粒压实密度为1.40-1.60g/cm3。上述正极材料颗粒大小分布均匀，能够有效地提高正极材料颗粒的压实密度；在锂离子电池制作过程中，压实密度对电池性能有较大的影响，合适的压实密度可以增大电池的放电容量，减小内阻，减小极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率。上述正极材料颗粒压实密度为1.40-1.60g/cm3，兼顾了电池容量、电池循环和电池利用率的问题。本专利技术中还提供了一种锂离子电池正极材料的制备方法：先采用共沉积法制备球状(NixCoyMnz)(OH)2前驱体，再采用高温固相法制备掺杂氟元素的富锂锰基正极材料Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa。进一步地，所述锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：S01，球状(NixCoyMnz)(OH)2前驱体的制备：将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰按阳离子摩尔浓度比Ni2+:Co2+:Mn2+=x:y:z配成水溶液，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1，设定所有阳离子的浓度总和为2.0mol/L；将上述溶液在惰性气氛中搅拌加热，同时滴入氢氧化钠溶液和氨水，控制反应体系pH值范围为10-11.5，反应完全后过滤干燥，制得球状(NixCoyMnz)(OH)2前驱体颗粒，其中，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1；S02，层状晶体结构Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa的制备：将S01制得的前驱体颗粒与氢氧化锂混合，其中前驱体中金属离子总和与锂离子的摩尔比为(0.6-0.8):(1.0-1.5)；将上述混合物在气氛炉中400-500℃加热5h，然后混入氟化锂在750-1000℃继续烧结10-20h，制得层状晶体结构Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa颗粒，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1。锰是一种相对便宜的金属，以锰为原料就大大降低了原材料的成本；本专利技术中主要包括水溶液共沉积和高温烧结技术，目前，共沉淀和高温烧结是十分成熟的工艺，制备过程简单。进一步地，S01中所述惰性气氛为氮气气氛；S02中所述气氛炉中气氛为空气气氛。制备过程中反应条件容易满足，氮气是便宜易得的惰性气体，并且对环境友好，在氮气氛围中制备前驱体，防止外来元素的污染和离子的氧化；S02中选用空气气氛，进一步降低了制备成本。进一步地，S01中所述搅拌速度为900-1100r/min；S01中所述加热温度为500-600℃。搅拌过慢不利于溶液之间的混合反应，搅拌过快难以形成沉淀晶核，不利于前驱体颗粒的生成和沉积。进一步地，S01中所述氢氧化钠溶液浓度为2.0mol/L；所述氨水浓度为4.0mol/L。进一步地，S01中所述氨水用来做螯合剂，不是消耗性原料；所述氨水滴入过程中控制NH4+在反应液中的浓度为0.30-0.36mol/L。进一步地，S01中制得的(NixCoyMnz)(OH)2前驱体颗粒直径为4-6μm。本专利技术中还提供了一种应用上述材料作为正极材料的锂离子电池，所述锂离子电池放电平均电压为3.5-4.0V；所述锂离子电池初次放电容量为250-300mAh/g；所述锂离子电池在0.5C放电倍率下，经过50个充放电循环，容量保持率大于90%。本专利技术具有以下优点：1、锰是一种相对便宜的金属，本专利技术以锰为原料，大大降低了原料成本；2、本专利技术采用的共沉淀和高温固相法在工艺上十分成熟，制备过程简单；3、以本专利技术中正极材料制备的锂离子电池性能卓越，初次放电容量为250-300mAh/g，比其他高比能量正极材料如高镍三元正极材料提高近60%的能量密度，比钴酸锂正极材料提高近80%的能量密度；在0.5C放电倍率下，经过50个充放电循环，容量保持率大于90%。附图说明图1为本专利技术中球形(Ni0.166Co0.166Mn0.668)(OH)2前驱体的SEM图片。图2为本专利技术中正极材料的SEM图片。图3为本专利技术中正极材料的XRD衍射谱。图4为以本专利技术中正极材料制备的锂离子电池首次充放电电压曲线图。图5为以本专利技术中正极材料制备的锂离子电池的容量(mAh/g)随循环次数变化图。具体实施方式下面结合附图和实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池正极材料，化学式为Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2‑aFa，其中，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1，0.002≤a≤0.02。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极材料，化学式为Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa，其中，0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1，0.002≤a≤0.02。2.如权利要求1所述锂离子电池正极材料，其特征在于：所述正极材料为层状晶体结构。3.如权利要求1所述锂离子电池正极材料，其特征在于：所述正极材料颗粒平均直径为4-6μm；所述正极材料颗粒压实密度为1.40-1.60g/cm3。4.一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：先采用共沉积法制备球状(NixCoyMnz)(OH)2前驱体，再采用高温固相法制备掺杂氟元素的富锂锰基正极材料，其化学式为Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa。5.如权利要求4所述锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S01，球状(NixCoyMnz)(OH)2前驱体的制备：将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰按阳离子摩尔浓度比Ni2+:Co2+:Mn2+=x:y:z配成水溶液，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1，设定所有阳离子的浓度总和为2.0mol/L；将上述溶液在惰性气氛中搅拌加热，同时滴入氢氧化钠溶液和氨水，反应体系pH值范围为10-11.5，反应完全后过滤干燥，制得球状(NixCoyMnz)(OH)2前驱体颗粒，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，x+y+z=1；S02，层状晶体结构Li[Li0.20Ni0.8xCo0.8yMn0.8z]O2-aFa正极材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵星，张华，李超，许文强，
申请(专利权)人：深圳市比克动力电池有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44