一种氧位掺杂镍钴铝正极材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供一种氧位掺杂镍钴铝正极材料及其制备方法和用途，所述正极材料化学式为LiNi1‑x‑yCoxAlyO2‑zXz(1‑x‑y>0.5，0

An Oxygen Doped Nickel-Cobalt-Aluminum Cathode Material and Its Preparation Method and Application

The present invention provides an oxygen-doped nickel-cobalt-aluminium cathode material and its preparation method and application. The chemical formula of the cathode material is LiNi1_x_yCoxAlyO2_zXz (1_x_y>0.5, 0.

【技术实现步骤摘要】
一种氧位掺杂镍钴铝正极材料及其制备方法和用途
本专利技术属于储能材料制备领域，涉及一种正极材料及其制备方法和用途，具体涉及一种氧位掺杂镍钴铝正极材料及其制备方法和用途。
技术介绍
锂离子电池由于具有比能量大、工作电压高、安全性高、环境污染小等优点，在各种便携式电子设备、电动汽车和新能源存储等领域有广泛的应用前景。而正极材料是锂离子电池产品的核心组成部分，其直接影响电池的最终使用性能，而且正极材料所占电池成本的比例达到40％左右，因此锂离子电池正极材料一直是研究热点。三元电池材料是制作动力锂电池的新型材料之一，由于其在资源占用、性价比、安全性等方面的优势，已经被视为未来动力锂电池的新一代正极活性物质，市场前景广阔，一般采用镍钴锰三元体系或镍钴铝三元体系。其中镍钴铝三元材料的容量是最高的，镍钴铝三元体系掺铝元素效果最佳，循环寿命长，但存在一个问题：铝元素是两性物质，在碱性较弱时生成氢氧化铝，但碱性较强时，会生成铝酸盐，在制备三元材料的过程中，铝离子不稳定直接影响镍钴铝三元材料的性能。CN106410187A公开了一种掺杂改性的镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，该制备方法首先配置了镍盐和钴盐的第一混合液，然后配置铝盐、络合剂以及含有掺杂金属元素的第二混合液，最后将第一混合液、第二混合液、碱液和氨水混合后进行反应；CN107935059A公开了一种镍钴铝三元材料前驱体及其制备方法，该方法的步骤为：混合镍、钴与铝，去离子水配置混合溶液后，将混合溶液、沉淀剂以及络合剂混合反应，得到镍钴铝三元材料前驱体。但制备镍钴铝三元正极材料过程中所用铝为两性物质，铝的存在形式随着反应溶液pH的变化而变化，如在碱性较弱时生成氢氧化铝，但碱性较强时，会生成铝酸盐，形态不稳定。影响着制备得到的镍钴铝三元材料的性能。综上，需要开发一种制备镍钴铝三元正极材料的过程中，保证铝离子的稳定性的合成方法，以提高镍钴铝三元正极材料的稳定性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种氧位掺杂镍钴铝正极材料及其制备方法和用途，所述正极材料化学式为LiNi1-x-yCoxAlyO2-zXz(1-x-y>0.5，0<x<1，0<y<1，0<z<0.05)，本专利技术提供的镍钴铝锂离子电池正极材料电化学性能优良，镍钴铝离子电池正极材料的制备过程中铝离子的形态稳定，且制备方法简单易制，材料粒度可控，具有优异的电化学性能。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种氧位掺杂镍钴铝正极材料，所述正极材料化学式为LiNi1-x-yCoxAlyO2-zXz，X包括F和/或S。其中1-x-y>0.5，0<x<1，0<y<1，0<z<0.05，例如可以是x＝0.3、y＝0.2、z＝0.01，x＝0.2、y＝0.3、z＝0.01，x＝0.1、y＝0.1、z＝0.03，x＝0.15、y＝0.05、z＝0.01或x＝0.15、y＝0.05、z＝0.02，优选为x＝0.15、y＝0.05、z＝0.02，x、y与z的数值包括但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术通过在镍钴铝正极材料中掺杂F和/或S，使Al离子在制备正极材料的过程中形态稳定，保证了Li+的扩散系数，从而提高了正极材料的性能。优选地，所述x为0.1～0.3，例如可以是0.1、0.12、0.15、0.18、0.2、0.22、0.25、0.28或0.3，优选为0.15～0.25。优选地，所述y为0.05～0.3，例如可以是0.05、0.1、0.15、0.2、0.25或0.3，优选为0.15-0.25。优选地，所述z为0.01～0.03，例如可以是0.01、0.015、0.02、0.025或0.03，优选为0.02。优选地，所述X为F和S。优选地，所述F与S的摩尔比为(1～3):1，例如可以是1:1、2:1或3:1，优选为1:1。优选地，所述正极材料平均粒径D50为10～18μm，例如可以是10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm或18μm，优选为13～16μm。第二方面，本专利技术提供了如第一方面所述正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)按照化学式中各元素的比例进行配料，将镍源、钴源、铝源、掺杂元素源混合溶解于去离子水中，加入溶胶剂得到混合溶液；(2)将步骤(1)所得混合溶液在加热搅拌的条件下制成干凝胶，保温，使干凝胶生成蓬松粉体；(3)将步骤(2)所得蓬松粉体与锂源、碳源在溶剂中进行球磨混合后，进行烘干，得到烘干后的粉体，锂源的添加量由化学式中各元素的比例确定；(4)将步骤(3)所得烘干后的粉体进行热处理，得到镍钴铝锂离子电池正极材料。优选地，步骤(1)所述镍源包括硫酸镍、氯化镍或硝酸镍中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括硫酸镍与氯化镍的组合，硫酸镍与硝酸镍的组合或硫酸镍、氯化镍与硝酸镍的组合。优选地，所述钴源包括硫酸钴、氯化钴或硝酸钴中的任意一种或至少两种的组，典型但非限制性的组合包括硫酸钴与氯化钴的组合，硫酸钴与硝酸钴的组合或硫酸钴、氯化钴与硝酸钴的组合。优选地，所述铝源为硫酸铝、氯化铝或硝酸铝中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括硫酸铝与氯化铝的组合，氯化铝与硝酸铝的组合或硫酸铝、氯化铝与硝酸铝的组合。优选地，所述掺杂金属源包括氟源和/或硫源。优选地，所述氟源为氟化铵。优选地，所述硫源为硫脲。优选地，所述溶胶剂包括谷氨酸和/或柠檬酸。优选地，所述混合溶液中溶胶剂与金属离子的摩尔比为(0.5～4):1，例如可以是0.5:1、1:1、2:1或4:1，优选为(1～2):1。所述金属离子的摩尔量为镍源、钴源与铝源中的镍、钴及铝的总摩尔量。优选地，步骤(2)所述加热的温度为50～100℃，例如可以是50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃，优选为60～80℃。优选地，所述搅拌的速率为500～1500r/min，例如可以是500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min、1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min或1500r/min，优选为800～1200r/min。优选地，所述保温的温度为200～400℃，例如可以是200℃、250℃、300℃、350℃或400℃，优选为250～350℃。优选地，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，优选为5～12h。本专利技术所用溶胶法相对于共沉淀法克服了条件难以控制的问题，在溶液配制以及反应时更易控制产物比例，元素掺杂分布也更为均匀。优选地，步骤(3)所述锂源包括磷酸二氢锂、碳酸锂、醋酸锂、甲酸锂、柠檬酸锂、氢氧化锂或草酸锂中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括磷酸二氢锂与碳酸锂的组合，碳酸锂、醋酸锂与甲酸锂的组合，醋酸锂、甲酸锂、柠檬酸锂与氢氧化锂的组合或磷酸二氢锂、碳酸锂、醋酸锂、甲酸锂、柠檬酸锂、氢氧化锂与草酸锂的组合。优选地，步骤(3)所述碳源包括葡萄糖、蔗糖、纤维素、聚乙二醇、聚乙烯醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧位掺杂镍钴铝正极材料，其特征在于，所述正极材料化学式为LiNi1‑x‑yCoxAlyO2‑zXz(1‑x‑y>0.5，0<x<1，0<y<1，0<z<0.05)，X包括F和/或S。

【技术特征摘要】
2018.12.17 CN 20181154373871.一种氧位掺杂镍钴铝正极材料，其特征在于，所述正极材料化学式为LiNi1-x-yCoxAlyO2-zXz(1-x-y>0.5，0<x<1，0<y<1，0<z<0.05)，X包括F和/或S。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述x为0.1～0.3，优选为0.15～0.25；优选地，所述y为0.05～0.3，优选为0.15～0.25；优选地，所述z为0.01～0.03，优选为0.02；优选地，所述X为F和S；优选地，所述F与S的摩尔比为(1～3):1，优选为1:1；优选地，所述正极材料平均粒径D50为10～18μm，优选为13～16μm。3.一种如权利要求1或2所述正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)按照化学式中各元素的比例进行配料，将镍源、钴源、铝源、掺杂元素源混合溶解于去离子水中，加入溶胶剂得到混合溶液；(2)将步骤(1)所得混合溶液在加热搅拌的条件下制成干凝胶，保温，使干凝胶生成蓬松粉体；(3)将步骤(2)所得蓬松粉体与锂源、碳源在溶剂中进行球磨混合后，进行烘干，得到烘干后的粉体，锂源的添加量由化学式中各元素的比例确定；(4)将步骤(3)所得烘干后的粉体进行热处理，得到镍钴铝锂离子电池正极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述镍源包括硫酸镍、氯化镍或硝酸镍中的任意一种或至少两种的组合，优选为硝酸镍；优选地，所述钴源包括硫酸钴、氯化钴或硝酸钴中的任意一种或至少两种的组合，优选为硝酸钴；优选地，所述铝源包括硫酸铝、氯化铝或硝酸铝中的任意一种或至少两种的组合，优选为硝酸铝；优选地，所述掺杂元素源包括氟源和/或硫源；优选地，所述氟源为氟化铵；优选地，所述硫源为硫脲；优选地，所述溶胶剂包括谷氨酸和/或柠檬酸；优选地，所述混合溶液中溶胶剂与金属离子的摩尔比为(0.5～4):1，优选为(1～2):1。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述加热的温度为50～100℃，优选为60～80℃；优选地，所述搅拌的速率为500～1500r/min，优选为800～1200r/min；优选地，所述保温的温度为200～400℃，优选为250～350℃；优选地，所述保温的时间为0.5～10h，优选为2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，陈清清，
申请(专利权)人：中科廊坊过程工程研究院，中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13