一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料及其制备方法和在锂电池的应用技术

本发明专利技术属于电池材料技术领域，具体涉及一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料及其制备方法和在锂电池的应用。本发明专利技术提供的无钴层状材料，化学通式为式1所示：LiNi

【技术实现步骤摘要】
一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料及其制备方法和在锂电池的应用


[0001]本专利技术属于电池材料
，具体涉及一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料及其制备方法和在锂电池的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池是在锂原电池的基础上发展的新一代二次电池，广泛用于小型便携式电子通讯产品和电动交通工具。目前已经产业化的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、改性锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。钴酸锂虽然性能稳定，但成本较高且钴元素有毒，可能造成环境污染。尖晶石型锰酸锂虽然价格低廉，但存在Jahn
‑
Teller效应而导致循环性能较差，并且其电化学性能在高温时因为锰的溶解问题而衰减较快。磷酸铁锂导电性差、产品批次一次性差、低温性能差，并存在微量铁的溶解可能引起电池短路的问题。因此，研究发现，以LiNi
x
Co
y
Mn1‑
x
‑
y
O2(NMC，x+y+z＝1)为代表的层状氧化镍钴锰系列材料(简称三元材料)较好的兼备了上述材料的优点，并在一定程度上弥补钴酸锂、改性锰酸锂、磷酸铁锂存在的不足，具有高比容量、循环性能稳定、成本相对较低、安全性能较好等特点。
[0003]但是，NMC材料中仍然含有Co，随着电动汽车领域发展，Co的高价格越来越成为限制NMC材料广泛应用的瓶颈。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料及其制备方法和在锂电池的应用，本专利技术提供的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料在保持与NMC相同放电容量的情况下具有成本低廉的显著优势。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料，化学通式为式1所示：LiNi
x
Mn
y
Al
z
O2式1；
[0007]式1中：x+y+z<1。
[0008]优选的，所述式1中：0.33≤x≤0.96；0.01≤z≤0.33。
[0009]优选的，所述阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料的化学式为LiNi
0.8
Mn
0.1125
Al
0.05
O2、LiNi
0.8
Mn
0.135
Al
0.02
O2或LiNi
0.8
Mn
0.03
Al
0.16
O2。
[0010]本专利技术提供了上述技术方案所述的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]按照式1所示化学通式中Ni元素、Mn元素和Al元素的化学计量比，将镍源、铝源、锰源和LiOH混合，得到混合料；
[0012]将所述混合料加热进行煅烧，得到初始层状材料；所述煅烧的温度≥所述LiOH的熔点温度；
[0013]在氧气气氛中，将所述初始层状材料进行退火处理，得到所述阳离子缺陷结合铝
掺杂的无钴层状材料。
[0014]优选的，所述镍源的镍元素、铝源中的铝元素和锰源中的锰元素的总物质的量与所述LiOH的物质的量之比为1:(4～8)。
[0015]优选的，所述煅烧的温度≥700℃且＜所述LiOH的沸点温度，所述煅烧的保温时间为8～24h。
[0016]优选的，由室温升温至所述煅烧的温度的升温速率为0.1～20℃/min。
[0017]优选的，所述退火处理的温度为400～600℃；所述退火处理的保温时间为4～24h。
[0018]优选的，由室温升温至所述退火处理的温度的升温速率为0.1～20℃/min。
[0019]本专利技术提供了上述技术方案所述的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料作为锂离子电池正极材料的应用。
[0020]本专利技术提供了一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料，化学通式为式1所示：LiNi
x
Mn
y
Al
z
O2式1；式1中：x+y+z<1。本专利技术提供的无钴层状材料以三价Al原子代替传统层状正极材料LiNi
x
Mn
y
Co
z
O2(NMC，x+y+z＝1)材料中的Co，同时引入阳离子空位，得到了阳离子缺陷与铝掺杂相结合的无钴层状材料，本专利技术提供的材料保留了镍的高容量，通过阳离子空位缺陷，减小了材料中的锂离子的迁移势垒，有利于锂离子的运输；通过铝掺杂使材料充放电过程中的晶体结构更加稳定，提高材料的循环稳定性。由此，本专利技术提供的材料不仅实现了在保持与NMC相同放电容量的情况下具有更高的电压工作区间和成本低廉的显著优势。而且，本专利技术提供的无钴层状材料(记为NMA
‑
D)与无钴LiNi
x
Mn1‑
x
O2(NM，x≥0.5)正极材料和无钴LiNi
x
Mn
y
Al
z
O2(NMA，x+y+z＝1)正极材料相比，具有更高的锂离子导电性、更高库伦效率和循环稳定性。
[0021]本专利技术提供了上述技术方案所述的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料的制备方法，包括以下步骤：按照式1所示化学通式中Ni元素、Mn元素和Al元素的化学计量比，将镍源、铝源、锰源和LiOH混合，得到混合料；将所述混合料加热进行煅烧，得到初始层状材料；所述煅烧的温度≥所述LiOH的熔点温度；在氧气气氛中，将所述初始层状材料进行退火处理，得到所述阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料。本专利技术提供的制备方法以LiOH同时作为锂源和熔盐介质，同时按照式1所示化学通式中Ni元素、Mn元素和Al元素的化学计量比投料，采用熔盐法直接合成了带有阳离子空位缺陷的Al元素掺杂的初始层状材料，然后通过在氧气气氛中进行退火处理将初始层状材料中的镍离子完全氧化为三价镍，抑制Li
+
/Ni
2+
的混排。本专利技术提供的制备方法简单，成本低，适宜工业化生产。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例1制备的LiNi
0.8
Mn
0.1125
Al
0.05
O2材料的XRD图谱；
[0023]图2为本专利技术实施例1制备的LiNi
0.8
Mn
0.1125
Al
0.05
O2材料的锂离子扩散系数随工作电压的变化曲线图；
[0024]图3为本专利技术实施例1制备的LiNi
0.8
Mn
0.1125
Al
0.05
O2材料库伦效率随循环次数的变化曲线；
[0025]图4为本专利技术实施例1制备的LiNi
0.8
Mn<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料，化学通式为式1所示：LiNi
x
Mn
y
Al
z
O2式1；式1中：x+y+z&lt;1。2.根据权利要求1所述的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料，其特征在于，所述式1中：0.33≤x≤0.96；0.01≤z≤0.33。3.根据权利要求1或2所述的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料，其特征在于，所述阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料的化学式为LiNi
0.8
Mn
0.1125
Al
0.05
O2、LiNi
0.8
Mn
0.135
Al
0.02
O2或LiNi
0.8
Mn
0.03
Al
0.16
O2。4.权利要求1～3任一项所述的阳离子缺陷结合铝掺杂的无钴层状材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照式1所示化学通式中Ni元素、Mn元素和Al元素的化学计量比，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海龙，王同帅，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：