一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法，将由静电纺丝前驱体溶液经静电纺丝制得的富镍NCM811前驱体纳米纤维膜进行煅烧制得富镍NCM811纳米颗粒；静电纺丝前驱体溶液由PVP溶液以及摩尔比为1.05～1.10:0.8:0.1:0.1的锂源、镍源、钴源、锰源组成，其中，每1mol锰源复配1.8～2.2L PVP溶液；PVP溶液由PVP聚合物、g

【技术实现步骤摘要】
一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法


[0001]本专利技术属于纺织储能电池
，涉及一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池能量密度高，重量轻且无污染，是能量存储的关键组件，但其应用工况复杂，导致人们对其能量密度、循环寿命、制作成本等方面提出了更高的要求。相比于传统的LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2，LiNi1‑
x
‑
y
Co
x
Mn
y
O2具有比容量高、原料成本低、环境友好、电流性能好、热稳定性和安全性能更好等优点，成为改善锂离子电池性能的重要材料。在日渐提升的比能量推动下，三元材料LiNi1‑
x
‑
y
Co
x
Mn
y
O2正在向着更高的放电比容量和能量密度的富镍材料发展。特别是富镍三元材料LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2(富镍NCM811)，具有更高的能量密度，具有更好的前景。然而伴随镍含量的提升和工艺技术的改进，正极材料整体性能得到提升的同时，生产工艺也变得越来越复杂。
[0003]富镍NCM811材料粒径越小，可缩短锂离子在脱出和嵌入的扩散路径和电子的传输路径，并且粒径越小，材料具有更大的比表面积，反应活性位点增加，可以提高锂离子电池的比容量、倍率性能和循环稳定性。在制备富镍NCM811材料时，我们期望材料的粒径越小越好，粒径越均一越好，目前制备富镍NCM811材料合成方法主要有固相法、连续共沉淀法、溶胶凝胶法等，其中连续共沉淀法制得的富镍NCM811材料粒径最小，约在10～50微米，然而其粒径均一性不佳。因此，本领域技术人员迫切期望研发新的工艺，制备出更小粒径且更均一的富镍NCM811材料，来改善锂离子电池的比容量、倍率性能和循环稳定性。
[0004]因此，制备具有纳米级粒径、粒径均一、电化学性能优异的富镍NCM811材料在未来锂电池发展过程中至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法，将由静电纺丝前驱体溶液经静电纺丝制得的富镍NCM811前驱体纳米纤维膜进行煅烧制得富镍NCM811纳米颗粒；
[0008]静电纺丝前驱体溶液由PVP溶液以及摩尔比为1.05～1.10:0.8:0.1:0.1的锂源、镍源、钴源、锰源组成，其中，每1mol锰源复配1.8～2.2L PVP溶液(即锰源与PVP溶液的摩尔体积比为1mol:1.8～2.2L)；
[0009]PVP溶液由PVP聚合物(聚乙烯吡咯烷酮)、g
‑
C3N4和体积浓度为55％～75％的乙醇水溶液组成，PVP溶液中PVP聚合物的浓度不高于20wt％，g
‑
C3N4的浓度不低于0.1wt％。
[0010]采用本专利技术的方法之所以能制得具有纳米级粒径、粒径均一、电化学性能优异的富镍NCM811材料是因为：
[0011]由于富镍NCM811纳米颗粒由富镍NCM811前驱体纳米纤维膜煅烧得到，因而富镍
NCM811纳米颗粒的粒径大小同时取决于富镍NCM811纳米颗粒沿垂直于纤维方向上的尺寸和沿平行于纤维方向上的尺寸；富镍NCM811纳米颗粒沿垂直于纤维方向上的尺寸受控于富镍NCM811前驱体纳米纤维膜中纳米纤维的直径，纳米纤维的直径为纳米级，因而沿垂直于纤维方向上的尺寸也为纳米级；富镍NCM811纳米颗粒沿平行于纤维方向上的尺寸受控于富镍NCM811前驱体纳米纤维膜中纳米纤维中金属源的堆积密度，本专利技术中通过控制“每1mol锰源复配1.8～2.2L PVP溶液”确保锂源、镍源、钴源、锰源在溶液中的分布密度以及收率最大化，避免了纳米纤维中金属源的堆积密度过高，进而避免了线状的富镍NCM811的形成，因而沿平行于纤维方向上的尺寸较小；
[0012]沿垂直于纤维方向上的粒径基本等同于纳米纤维的直径，因为在煅烧过程中纳米纤维外部无法提供NCM811垂直纤维方向上生长所需的金属源，所生成的NCM811受控于纳米纤维直径，反应中只会发生离子的迁移，而不会发生多个分子宏观上的移动，因此沿垂直于纤维方向上的尺寸基本上是一致的；至于沿平行于纤维方向上的尺寸，由于各金属离子在纤维中均匀分布、无团聚，因此沿平行于纤维方向上的尺寸均一。
[0013]所制备富镍NCM811纳米颗粒的粒径受控于纳米纤维的直径，这使得颗粒大小控制在纳米级，且粒径较为均一且易于控制，其纳米结构缩短了锂离子在脱出和嵌入的扩散路径和电子的传输路径，并且纳米粒子具有更大的比表面积，反应活性位点增加，使得富镍NCM811纳米颗粒组装成的扣式CR2025型半电池在0.1C倍率下首圈放电比容量为200～212mAh
·
g
‑1，50圈后容量保持率为83～90％，倍率循环后0.2C首圈放电比容量为169～182mAh
·
g
‑1。
[0014]在静电纺丝过程中，通过纺丝溶液中溶剂的挥发获得固化的纤维束，乙醇、水、DMF具有较好的挥发性，通常被用于作为静电纺丝的溶剂；专利技术人尝试使用静电纺丝法纺制LiNi1‑
x
‑
y
Co
x
Mn
y
O2材料，对于低镍含量(1
‑
x
‑
y≤0.6)的LiNi1‑
x
‑
y
Co
x
Mn
y
O2三元材料而言，以乙醇作为溶剂可实现较为顺利地静电纺丝；然而，专利技术人发现当纺制富镍NCM811或更高镍含量的材料时，采用常规的以乙醇为溶剂的PVP溶液与金属源配置静电纺丝溶液时，出现了可纺性问题。在富镍NCM811纺丝溶液中，同时含有镍源、钴源这类磁性材料，随着镍含量的增高以及钴含量的下降，纺丝液滴对于静电场的抵抗增加，加剧了溶液的粘度剧增。由于富镍NCM811的前驱体溶液的流变性质下降，使得用于制备高镍含量的NCM811的静电纺丝溶剂不具备可纺性，具体表现为前驱体溶液流动性不足，在高压静电场下无法形成射流，而控制静电纺丝纤维拉伸和细化的关键因素是纺丝液的可喷射性。本专利技术通过以下几方面的改进予以解决：
[0015](1)控制静电纺丝前驱体溶液的PVP溶液中含有g
‑
C3N4，g
‑
C3N4具有较高的电负性，电子亲和能力强，可以有效的降低纺丝液滴对于静电场的抵抗，PVP溶液中g
‑
C3N4的浓度不能低于0.1wt％，否则发挥不出其作用，导致喷出射流所需的静电场电压过大，射流粗大，可见粘度，无法及时固化挥发，纤维膜出现少量纤维粘连的现象；
[0016](2)控制静电纺丝前驱体溶液的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法，其特征在于，将由静电纺丝前驱体溶液经静电纺丝制得的富镍NCM811前驱体纳米纤维膜进行煅烧制得富镍NCM811纳米颗粒；静电纺丝前驱体溶液由PVP溶液以及摩尔比为1.05～1.10:0.8:0.1:0.1的锂源、镍源、钴源、锰源组成，其中，每1mol锰源复配1.8～2.2L PVP溶液；PVP溶液由PVP聚合物、g
‑
C3N4和体积浓度为55％～75％的乙醇水溶液组成，PVP溶液中PVP聚合物的浓度不高于20wt％，g
‑
C3N4的浓度不低于0.1wt％。2.根据权利要求1所述的一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法，其特征在于，PVP溶液中g
‑
C3N4的浓度不高于0.4wt％。3.根据权利要求1所述的一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法，其特征在于，PVP溶液中PVP聚合物的浓度不低于5wt％。4.根据权利要求1所述的一种富镍NCM811纳米颗粒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将PVP聚合物和g
‑
C3N4分散于乙醇水溶液中，搅拌形成均一的PVP溶液；(2)将锂源、镍源、钴源及锰源溶于所述PVP溶液中，得到静电纺丝前驱体溶液；(3)将所述静电纺丝前驱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张逸俊，孙向浩，胡锦文，杨艳彪，
申请(专利权)人：江苏华峰超纤材料有限公司，
类型：发明
国别省市：