层状高镍三元锂离子电池正极材料、制备方法与应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池领域，公开了一种层状高镍三元锂离子电池正极材料、制备方法与应用。该材料的化学结构式如下：Li

【技术实现步骤摘要】
层状高镍三元锂离子电池正极材料、制备方法与应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种层状高镍三元锂离子电池正极材料、制备方法与应用。

技术介绍

[0002]由于在能量密度和循环寿命等方面具有突出优势，锂离子电池是目前各类动力和储能系统的首选电源，因此备受关注。近年来，三元镍钴锰氧化物正极材料得到广泛研究，其具有层状结构和较高的能量密度，是当前我国新能源车动力电池的主要技术方向。
[0003]作为正极材料，高镍三元氧化物(LiNi
x
Co
y
Mn1‑
x
‑
y
O2)有两个主要缺点：循环过程中容量衰减严重和高温稳定性差。这两个缺点是阻碍高镍三元氧化物在商业化道路上发展的主要因素。目前被大量研究的高镍三元氧化物按照氧的堆积排列方式可归类为O3型结构，即锂离子处于以ABCABC形式氧堆积的MeO2层间的八面体位，且单位晶胞中的最小MeO2层数为3。O3型结构与尖晶石结构的排列相似，因此在循环过程容易发生结构转变。而O2型结构在循环过程能保持稳定层状结构，其中锂离子处于以ABACAB形式氧堆积的MeO2层间的八面体位，在单位晶胞中的最小MeO2层数为2。O2型结构是一种亚稳结构，不能通过固相法直接合成，而是通过P2型结构的MeO2层滑移后得到。
[0004]中间体P2型钠空位氧化物的制备也很重要，不同的合成方法将影响材料的微观形貌进而影响最终性能。目前，合成P2型钠盐前驱体的方法有高温固相法，共沉淀法，水热法等，其中共沉淀法具有成本低、工艺简单、制备条件易于控制及合成周期短的优点，因此确定采用共沉淀法来合成中间体P2型钠氧化物。随后再通过离子交换得到O2型的高镍三元锂离子正极材料。共沉淀法是将过渡金属盐溶液缓慢加入到过量的沉淀剂中并高速搅拌，经过化学沉淀后形成均匀的沉淀物，洗涤干燥配碱金属后经过高温煅烧得到P2型钠氧化物。为了解决高镍三元氧化物的主要问题，尝试改变结构中离子排列形式，使其成为O2型结构的层状高镍三元氧化物，应用于锂离子电池正极材料。
[0005]因此，研发一种不可逆容量损失少、循环稳定性良好，并且制备方法简单的锂离子电池正极材料是本领域的一项技术难题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种层状高镍三元锂离子电池正极材料。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种有效制备上述层状高镍三元锂离子电池正极材料的方法。
[0008]本专利技术的再一目的在于提供上述层状高镍三元锂离子电池正极材料的应用。
[0009]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0010]一种层状高镍三元锂离子电池正极材料，其化学结构式如下：
[0011]Li
z
Ni
x
Co
y
Mn1‑
x
‑
y
O2，其中0.5≤z≤1、0.33≤x≤1、0≤y≤0.5、0≤1
‑
x
‑
y≤0.5。
[0012]所述的z优选为0.54≤z≤0.95；更优选为0.67≤z≤0.83。
[0013]所述的x优选为0.5≤x≤0.9；更优选为0.5≤y≤0.8。
[0014]所述的y优选为0.1≤y≤0.33；更优选为0.1≤y≤0.2。
[0015]所述的1
‑
x
‑
y优选为0.1≤1
‑
x
‑
y≤0.33；更优选为0.1≤1
‑
x
‑
y≤0.3。
[0016]上述层状高镍三元锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0017](1)将可溶于水的锰盐、钴盐和镍盐与去离子水混合，得到溶液A；
[0018](2)将可溶于水的沉淀剂与去离子水混合，得到溶液B；
[0019](3)在搅拌状态下，溶液A和溶液B同时加入平底烧瓶中，待混料完全后开始加热并恒温搅拌2～8h，得到沉淀完全的混合物，全过程控制溶液呈碱性；
[0020](4)将步骤(3)得到的混合物进行过滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次；
[0021](5)将步骤(4)得到的滤饼置于鼓风干燥箱中干燥8～24h；
[0022](6)将步骤(5)得到的干燥产物与摩尔比的含钠化合物研磨均匀后放入马弗炉进行高温煅烧得到焙烧产物；
[0023](7)将步骤(6)焙烧得到的产物与含锂体系进行熔盐离子交换反应，将产物洗涤、干燥，得到层状高镍三元锂离子电池正极材料或者以步骤(6)焙烧得到的产物为正极，锂片为负极组装扣式电池进行电化学离子交换得到层状高镍三元锂离子电池正极材料。
[0024]步骤(1)中所述的锰盐优选为硫酸锰、氯化锰和乙酸锰中的一种；更优选为一水合硫酸锰。
[0025]步骤(1)中所述的钴盐优选为硫酸钴、氯化钴和乙酸钴中的一种；更优选为七水合硫酸钴。
[0026]步骤(1)中所述的镍盐优选为硫酸镍、氯化镍和乙酸镍中的一种；更优选为六水合硫酸镍。
[0027]步骤(1)中所述溶液的浓度优选为0.5～5mol/L；更优选为0.5mol/L。
[0028]步骤(1)中所述的锰盐、钴盐和镍盐优选按摩尔比(0.01～0.033)：(0.01～0.033)：(0.033～0.08)配比搭配。
[0029]步骤(2)中所述的沉淀剂优选为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸钾和草酸中的一种；更优选为草酸。
[0030]步骤(2)中所述溶液的浓度优选为0.5～5mol/L；更优选为2.5mol/L。
[0031]步骤(3)中所述碱性溶液的pH值优选为9～13；更优选为10～12。
[0032]步骤(3)中所述的搅拌的转速优选为300～500rpm；更优选为400rpm。
[0033]步骤(3)中所述的加料的速率优选为5～12rpm；更优选为10rpm。
[0034]步骤(3)中所述的恒温温度优选为40～80℃；更优选为60℃。
[0035]步骤(3)中所述的恒温时间优选为2～8h；更优选为3～6h。
[0036]步骤(4)中所述的过滤操作优选为减压抽滤。
[0037]步骤(5)中所述的干燥条件优选为于80～150℃烘干8～24h；更优选为100～120℃烘干11～18h。
[0038]步骤(6)中所述煅烧的反应条件优选为以4～6℃/min升至400～650℃并保温3～6h后以4～6℃/min升至750～950℃并保温10～24h；更优选为以5℃/min升至450～550℃并保温4～5h后以5℃/min升至850℃并保温12～20h。
[0039]步骤(6)中所述的含钠化合物的用量优选按含钠化合物：干燥产物＝摩尔比0.67:1～0.83:1计算。
[0040]步骤(7)中所述的含锂体系优选为含锂熔盐，所述的含本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状高镍三元锂离子电池正极材料，其特征在于：该层状高镍三元锂离子电池正极材料的化学结构式如下：Li
z
Ni
x
Co
y
Mn1‑
x
‑
y
O2，其中0.5≤z≤1、0.33≤x≤1、0≤y≤0.5、0≤1
‑
x
‑
y≤0.5。2.一种权利要求1所述层状高镍三元锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将可溶于水的锰盐、钴盐和镍盐与去离子水混合，得到溶液A；(2)将可溶于水的沉淀剂与去离子水混合，得到溶液B；(3)在搅拌状态下，溶液A和溶液B同时加入平底烧瓶中，待混料完全后开始加热并恒温搅拌2～8h，得到沉淀完全的混合物，全过程控制溶液呈碱性；(4)将步骤(3)得到的混合物进行过滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次；(5)将步骤(4)得到的滤饼置于鼓风干燥箱中干燥8～24h；(6)将步骤(5)得到的干燥产物与摩尔比的含钠化合物研磨均匀后放入马弗炉进行高温煅烧得到焙烧产物；(7)将步骤(6)焙烧得到的产物与含锂体系进行熔盐离子交换反应，将产物洗涤、干燥，得到层状高镍三元锂离子电池正极材料或者以步骤(6)焙烧得到的产物为正极，锂片为负极组装扣式电池进行电化学离子交换得到层状高镍三元锂离子电池正极材料。3.根据权利要求2所述的层状高镍三元锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的锰盐优选为硫酸锰、氯化锰和乙酸锰中的一种；步骤(1)中所述的钴盐优选为硫酸钴、氯化钴和乙酸钴中的一种；步骤(1)中所述的镍盐优选为硫酸镍、氯化镍和乙酸镍中的一种；步骤(2)中所述的沉淀剂优选为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸钾和草酸中的一种；步骤(7)中所述的含锂体系优选为含锂熔盐，所述的含锂熔盐优选为氯化锂、硝酸锂和碘化锂中的至少一种。4.根据权利要求2所述的层状高镍三元锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述溶液的浓度优选为0.5～5mol/L；更优选为0.5mol/L；步骤(1)中所述的锰盐、钴盐和镍盐优选按摩尔比(0.01～0.033)：(0.01～0.033)：(0.033～...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈胜洲，廖梓君，邓乐诗，杨伟，邹汉波，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：