用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池技术

本发明专利技术公开了用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池，按照以下步骤来实现：按照化学计量比称取一定量的硫酸镍(NiSO4·7H2O)、硫酸钴(CoSO4·6H2O)和硫酸锰(MnSO4·H2O)，溶解于去离子水中配制成浓度为2mol/L的阳离子混合溶液；按照络合剂和步骤1）中阳离子浓度比值0.1‑1.2:1，称取一定量的乳酸络合剂C3H6O3配制成溶液；称取一定量浓度为2mol/L的NaOH溶液作为沉淀剂。与现有技术相比，本发明专利技术制出的正极材料容量高、热稳定性好，价格相对低廉、毒性相对较低，具有广泛的应用前景。

Cathode materials for lithium batteries and their preparation methods, cathodes and batteries for lithium batteries

【技术实现步骤摘要】
用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池
本专利技术涉及锂电池制造
，具体涉及一种用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池正极和锂电池。
技术介绍
随着经济和科学技术的不断发展，能源危机和环境污染的压力越来越大，为了实现二十一世纪可持续发展战略，发展绿色新能源材料是现今社会的必要的课题。锂离子电池具有优异的性能和巨大的发展潜力，自从1990年日本索尼公司成功研制出高能量密度和高放电电压的锂离子电池，已经越来越受到各国政府的重视并且发展迅速。正极材料是锂离子电池最重要组成部分之一，在很大程度上决定着锂离子电池的性能而目前的锂离子电池正极材料仍处于发展初期，产品的价格和性能还不能满足市场的需求，因此，研究和开发出成本低、容量高的锂离子电池正极材料是刻不容缓的。随着锂电技术的不断改进，它的应用领域将更加广泛，对节约资源、高效率利用能源、保护环境以及可持续发展均有至关重要的意义。电极材料是锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池的性能起主导作用。一般选用碳材料作为负极材料，并且目前的发展已经比较成熟，因此，正极材料的选用成为锂离子电池价格高低和性能好坏的关键。锂离子电池正极材料必须满足以下的条件：为保证锂离子电池具有较高的输出电压，要求锂离子与正极材料之间发生氧化还原反应的电位高；为确保锂离子电池有高的充放电容量，必须有大量的锂离子能够在正负极之间可逆地发生脱嵌；为保证锂离子电池有良好的循环性能，必须允许锂离子在正极材料中自由地脱出和嵌入，并且不引起晶体结构的变化；氧化还原电位随锂离子的脱出和嵌入变化小，以让电池有平稳的充放电平台；正极材料应具有较高的离子导电率和电子导电率，减小极化现象，并实现大电流充放电；正极材料在整个充放电电压范围内应具有较高的化学稳定性，不与电解液等发生反应；原材料来源丰富，成本低，对环境无污染。目前，制约正极材料发展的有以下几个主要方面：由于阳离子混排造成的首次充放电效率不高；高充放电电压下，正极材料可能与电解质溶液发生反应，导致循环稳定性变差；锂离子扩散系数和电子导电率低，使材料的倍率性能不是很理想。
技术实现思路
为解决上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种用于锂电池的正极材料及其制备方法，制出的正极材料容量高、热稳定性好，价格相对低廉、毒性相对较低，具有广泛的应用前景。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于锂电池的正极材料，所述正极材料由通式Li[NixCoyMn1-x-y]1-ZCeZO2表示，该通式中，0＜X＜1，0＜Y＜0.5,0.01＜Z＜0.05。进一步地，上述通式中，0.5≤X＜1，0.2≤Y＜0.5,0.02≤Z＜0.05。上述通式中，X取值0.5，Y取值0.2，Z取0.02。相应地，本专利技术还提供一种上述的正极材料的制备方法，包括以下步骤：1）按照化学计量比称取镍源化合物、钴源化合物、锰源化合物，溶解于去离子水中配制成浓度为2mol/L的阳离子混合溶液；2）按照络合剂和步骤1）中阳离子浓度比值0.1-1.2:1，称取乳酸络合剂C3H6O3配制成溶液；3）称取浓度为2mol/L的NaOH溶液作为沉淀剂；4）将上述三种溶液通过蠕动泵同时加入到反应釜中，调节蠕动泵的进料速度以改变络合剂与阳离子溶液的浓度比，并控制反应釜中混合溶液pH值始终保持为10-12；5）采用电动增力搅拌器以600-800r/m的搅拌速度在70℃下与氩气氛围中沉淀反应12-20h，反应结束后陈化12h；6）清洗步骤5）得到的溶液7～8次，直至离心后上层清液的PH值为中性；7）将步骤6）中清洗后的沉淀物置于鼓风干燥箱中，在85℃温度条件下干燥48小时，再将干燥后的材料置于碾钵中碾磨，300目过筛，得到三元前驱体；6）对步骤5）中得到的三元前躯体进行煅烧：将锂源Li2CO3、三元前驱体、CeO2按配锂量1.1：1：0.2混合均匀，置于刚玉方舟中压实，在空气氛围下，先于500℃预烧5小时，后于850℃空煅烧12小时，煅烧过程中升温速率均为10℃/min，煅烧结束后在碾钵中将煅烧料破碎，得到掺杂有稀土元素钒的锂电池正极材料Li[NixCoyMn1-x-y]1-ZCeZO2。进一步地，步骤2）中按照络合剂和步骤1）中阳离子浓度比值1:1，称取乳酸络合剂C3H6O3配制成溶液。步骤5）中采用电动增力搅拌器以800r/min的搅拌速度在70℃下与氩气氛围中沉淀反应12h。步骤1）中，镍源、钴源和锰源的摩尔比为：0.5-0.6:0.2-0.35:0.05-0.3。所述镍源化合物为硫酸镍，钴源化合物为硫酸钴，锰源化合物为硫酸锰(MnSO4·H2O)。本专利技术还提供一种锂电池正极，包括基体和置于基体表面的涂覆材料，所述涂覆材料包括上述所述的正极材料、导电材料和粘接剂。本专利技术还提供一种锂电池，包括：上述所述的锂电池正极、负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。利用本专利技术制备方法获得的正极材料，具备较高的纯度和良好的高温和大电流循环特性，同时，由于采用了元素铈，成本较低，环保性能好。本专利技术在步骤1）中，乳酸加入溶液中发生离解，，乳酸离解后与溶液中的Ni2+、Co2+、Mn2+发生络合，而Ni2+、Co2+、Mn2+在乳酸中的稳定常数比较接近，分别为2.22、1.90、1.43，能够共沉淀，其反应过程如下所示：本专利技术的有益效果是：采用乳酸作为络合剂，在n(C3H6O3):n(Ni2++Co2++Mn2+)为1:1，搅拌速度为800r/m、共沉淀反应时间为12h时，制备出的材料具有最优良的结晶性能、电化学性能及循环伏安特性，其在0.1C下的首次放电比容量为185.6mAh/g，5C下放电比容量仍能达到102.8mAh/g，在0.2C下经100周循环后放电比容量为156.1mAh/g，并且此条件制备的三元材料在大电流密度（2C）下也表现出较好的循环性能，100次循环后容量保持率为72.1%；在不同倍率下各充放电10次后恢复到小倍率充放电，其放电比容量仍能恢复到初始容量，体现出较优良的倍率循环性能，同时经过多次户外实测实验证明，在保证优良的倍率循环性能的同时，项目产品适应高海拔、高寒、高温差地域使用条件，实测-22℃—57℃环境温度范围内，工作正常；由于三元前驱体在煅烧时所需的温度较高，而高温下锂盐容易挥发，引起锂的缺失，导致材料性能的恶化，因此在烧结时应适当地提高配锂量以补偿在煅烧过程中锂的挥发，通过各种分析手段发现：当配锂量为1.1:1时LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料具有最完整的层状结构，放电比容量以及倍率性能有很大的提高，循环性能也有所提高，其中在5C下放电比容量提高了78.3mAh/g；两步加料烧结能够降低锂盐在高温下的挥发，由于选择的配锂量仍为1.1:1，烧结后材料中锂过剩，只有循环性能得到很大的程度的提高，在1C、2.5-4.3V下100次循环后容量保持率由67.8%提高到94.7%。；选择四种稀土氧化物对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料掺杂，掺杂后的Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]0.98Re0.02O2(Re=La,Ce,Pr,Nd)三元正极材料，原料简单混合后烧结成的材料中存在一定的杂质相，Ce掺杂的Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锂电池的正极材料，其特征在于：所述正极材料由通式Li[NixCoyMn1‑x‑y]1‑ZCeZO2表示，该通式中，0＜X＜1，0＜Y＜0.5, 0.01＜Z＜0.05。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂电池的正极材料，其特征在于：所述正极材料由通式Li[NixCoyMn1-x-y]1-ZCeZO2表示，该通式中，0＜X＜1，0＜Y＜0.5,0.01＜Z＜0.05。2.根据权利要求1所述的用于锂电池的正极材料，其特征在于：上述通式中，0.5≤X＜1，0.2≤Y＜0.5,0.02≤Z＜0.05。3.根据权利要求2所述的用于锂电池的正极材料，其特征在于：上述通式中，X取值0.5，Y取值0.2，Z取0.02。4.根据权利要求1所述的用于锂电池的正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）按照化学计量比称取镍源化合物、钴源化合物、锰源化合物，溶解于去离子水中配制成浓度为2mol/L的阳离子混合溶液；2）按照络合剂和步骤1）中阳离子浓度比值0.1-1.2:1，称取乳酸络合剂C3H6O3配制成溶液；3）称取浓度为2mol/L的NaOH溶液作为沉淀剂；4）将上述三种溶液通过蠕动泵同时加入到反应釜中，调节蠕动泵的进料速度以改变络合剂与阳离子溶液的浓度比，并控制反应釜中混合溶液pH值始终保持为10-12；5）采用电动增力搅拌器以600-800r/m的搅拌速度在70℃下与氩气氛围中沉淀反应12-20h，反应结束后陈化12h；6）清洗步骤5）得到的溶液7～8次，直至离心后上层清液的PH值为中性；7）将步骤6）中清洗后的沉淀物置于鼓风干燥箱中，在85℃温度条件下干燥48小时，再将干燥后的材料置于碾钵中碾磨，300目过筛，得到三元前驱体；6）对步骤5）中得到的三元前躯体进行煅烧：将锂源Li2CO3、三元前驱体、CeO2按配锂量1.1：1：0.2混合均匀，置于刚玉方舟中压实，在空气氛围下，先于500℃预烧5小时，后于850℃空煅烧12小时，煅烧过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国光，冯子穆，徐亚峰，牛佳，
申请(专利权)人：河南海宏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41