氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法和应用，其中，所述方法包括：(1)伴随着搅拌，将含镍物料、含钴物料、含锰物料、N‑甲基吡咯烷酮和聚偏氟乙烯混合，然后静置，以便得到混合胶液；(2)将所述混合胶液进行静电纺丝，然后进行干燥，以便得到纤维棒状前驱体；(3)将所述纤维棒状前驱体进行高温退火，以便得到氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料。由此，采用该方法得到的氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料在充放电过程具有优异的稳定性和导电性，提高电池的使用寿命，并且该合成方法简单高效，生产成本低，有利于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于锂电池领域，具体涉及一种氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
当下我国能源储能体系中，主要是以煤、石油等化学能源为主，辅之以水电、核电、太阳能、潮汐能和地热能等。随着不可再生化石能源的日益减少和燃料所带来的环境问题，可再生绿色能源在能源体系中的比例越来越高。但水电受限于地理位置，太阳能、风能亦有间歇性的特点，给电能的存储带来的新的挑战。传统的储能设备不能满足当前对储能的需求，而锂离子电池凭着较高的工作电压(3.6-3.7V)、较高的能量密度、无记忆效应以及自放电小等特点，被认为是最有应用前景的储能体系。同时，对于锂离子电池也有了更高的要求，即电动汽车需要更远的续航里程，这也就意味着电池需要达到更高的能量密度，而单体电池容量和能量密度很大程度上取决于正极材料。当前比较成熟的正极材料有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂以及镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂三元材料，其中三元正极材料结合了钴酸锂良好的循环稳定性、镍酸锂的高比容性和锰酸锂的高安全性以及低成本，成为极具发展前景的材料。对于三元材料的合成方法一般有共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热/溶剂热法、微波合成以及高温固相法等，但总的来看都是首先制备得到前驱体，经烧结得到三元材料，如何高效合成制备三元前驱体成为合成三元材料的关键。而溶胶-凝胶法合成超细三元材料时，为防止烧结过程中的团聚，对后期的烧结温度的控制要求苛刻；水热/溶剂热法能够可控地制备具有规则形状的材料，但合成效率较低，不适于大规模生产。所以当前三元材料的工业化合成多为共沉淀得到前驱体，然后多次烧结得到具有包覆和掺杂的三元材料。该方法虽适于大批量生产，但合成得到的三元材料存在较大的元素偏析、烧结工艺繁琐、能耗较高等问题。因此，现有的合成正极材料的技术有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料及其制备方法和应用，采用该方法得到的氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料在充放电过程具有优异的稳定性和导电性，提高电池的使用寿命，并且该合成方法简单高效，生产成本低，有利于工业化生产。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：(1)伴随着搅拌，将含镍物料、含钴物料、含锰物料、N-甲基吡咯烷酮和聚偏氟乙烯混合，然后静置，以便得到混合胶液；(2)将所述混合胶液进行静电纺丝，然后进行干燥，以便得到纤维棒状前驱体；(3)将所述纤维棒状前驱体进行高温退火，以便得到氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料。根据本专利技术实施例的制备氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料的方法，将含镍物料、含钴物料、含锰物料、N-甲基吡咯烷酮和聚偏氟乙烯混合，然后静置得到混合胶液，相比于传统静电纺丝中以高分子量的聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等作为电纺介质，其只是为了增加溶液粘度，从而有利于进行静电纺丝，但后期的退火过程会破坏高分子链所形成的稳定结构，使得到的材料呈现脆性，而本申请中，以聚偏氟乙烯作为电纺介质，一方面，聚偏氟乙烯与以N-甲基吡咯烷酮为溶剂的混合溶液混合可以得到均一稳定的混合胶液；再一方面，聚偏氟乙烯作为增稠剂，便于后续静电纺丝工艺的进行；另一方面，聚偏氟乙烯中F元素可以与Ni、Co、Mn、Li元素形成更强的作用力，即形成的前驱体与高分子链之间存在化学作用力，而非物理接触，即使后期的退火破坏了高分子链的结构，但整体材料的强度没有太大影响；然后将混合胶液进行静电纺丝和干燥得到的纤维棒状前驱体进行高温退火进行氟碳元素共掺杂，即一步法实现氟碳元素共掺杂镍钴锰酸锂材料中，其中，氟元素可以对镍钴锰酸锂表面进行改性，降低镍钴锰酸锂材料表面能，抑制了因为高镍而带来的氢氧化锂和碳酸锂的增加所引起的材料腐蚀，提高了材料表面的稳定性，即提高了镍钴锰酸锂电极在充放电循环过程中的稳定性，提高了电池的循环寿命。同时，碳的原位包覆有效地优化了镍钴锰酸锂材料的导电性，在一定程度上降低了极片的本征电阻，从而大大降低了厚电极的内阻，改善了厚电极的倍率性能，并且本申请的合成方法简单高效，生产成本低，有利于工业化的生产。另外，根据本专利技术上述实施例的制备氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，将所述含镍物料、所述含钴物料、所述含锰物料、所述N-甲基吡咯烷酮和所述聚偏氟乙烯按照摩尔比为(0.1～0.5)：(0.0125～0.0625)：(0.0125～0.0625)：(0.1～0.5)：(0.01～0.05)混合。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述含镍物料为乙酸镍、碳酸镍、草酸镍和氧化镍中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述含钴物料为乙酸钴、碳酸钴、草酸钴和氧化钴中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述含锰物料为乙酸锰、碳酸锰、草酸锰和氧化锰中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述静电纺丝条件：喷头孔径为500～800μm，供料速度为0.2～0.8mL/h，电压为20～40kV，喷头与收集器之间的固化距离为15～35cm，压强为0.3～0.5MPa。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述纤维棒状前驱体的直径为20～150nm。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(3)中，所述高温退火条件：从25℃以1～10℃/min速率升温至300-400℃且保温2～4h，再以1～10℃/min速率升温至700～900℃且保温10～16h，然后随炉冷却到室温。在本专利技术的第二个方面，本专利技术提出了一种氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料。根据本专利技术的实施例，所述氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料采用上述方法制备得到。由此，该正极材料在具有高容量的同时具有优异的稳定性和电化学性能。在本专利技术的第三个方面，本专利技术提出了一种锂电池。根据本专利技术的实施例，所述锂电池具有上述的正极材料。由此，该锂电池具有优异循环稳定性和倍率性能。在本专利技术的第四个方面，本专利技术提出了一种储能设备。根据本专利技术的实施例，所述储能设备具有上述的锂电池。由此，使得装载上述具有优异循环稳定性和倍率性能的锂电池的储能设备具有优异的储能能力，从而满足消费者的使用需求。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术一个实施例的制备氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料的方法流程示意图；图2是实施例1得到的纤维棒状前驱体的SEM谱图；图3为实施例1得到的氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料和通过静电纺丝得到的镍钴锰酸锂正极材料(未掺杂碳氟)为正极材料组装电池的循环性能对比曲线图。具体实施方式下面详细描述本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料的方法，其特征在于，包括：/n(1)伴随着搅拌，将含镍物料、含钴物料、含锰物料、N-甲基吡咯烷酮和聚偏氟乙烯混合，然后静置，以便得到混合胶液；/n(2)将所述混合胶液进行静电纺丝，然后进行干燥，以便得到纤维棒状前驱体；/n(3)将所述纤维棒状前驱体进行高温退火，以便得到氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料的方法，其特征在于，包括：
(1)伴随着搅拌，将含镍物料、含钴物料、含锰物料、N-甲基吡咯烷酮和聚偏氟乙烯混合，然后静置，以便得到混合胶液；
(2)将所述混合胶液进行静电纺丝，然后进行干燥，以便得到纤维棒状前驱体；
(3)将所述纤维棒状前驱体进行高温退火，以便得到氟碳共掺杂镍钴锰酸锂正极材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，将所述含镍物料、所述含钴物料、所述含锰物料、所述N-甲基吡咯烷酮和所述聚偏氟乙烯按照摩尔比(0.1～0.5)：(0.0125～0.0625)：(0.0125～0.0625)：(0.1～0.5)：(0.01～0.05)混合。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述含镍物料为乙酸镍、碳酸镍、草酸镍和氧化镍中的至少之一；
任选地，在步骤(1)中，所述含钴物料为乙酸钴、碳酸钴、草酸钴和氧化钴中的至少之一。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述含锰物料为乙酸锰、碳酸锰、草酸锰和氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：于奥，王亚州，谢涛，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32