一种钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料及其制备方法技术

一种钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明专利技术钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料具有以钴铝酸锂为壳-镍酸锂为核的核壳结构，钴铝酸锂占电极材料的物质的量分数为0.08-0.12。在球形镍酸锂表面均匀包覆一层钴铝水滑石，然后与锂源材料均匀混合，在氧气气氛下经两次煅烧可以得到本发明专利技术钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料。本发明专利技术的有益效果是保持镍酸锂材料高比容量的特性下，能够明显改善其循环性能和倍率性能，而且制备工艺简单、易于控制，适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂离子电池
，特别是涉及。
技术介绍
层状镍酸锂作为锂离子电池正极材料，其理论比容量为274mAh · 实际比容量可以达到ISOmAh .g-1以上，远高于目前商业化钴酸锂材料140mAh .g—1的比容量，具有比容量高，价格低等优点。但镍离子容易进入锂离子层，发生锂、镍阳离子混排，导致电化学性能降低，这使镍酸锂的制备条件苛刻，重现性差；此外，镍酸锂还存在结构稳定差，易与电解液发生化学反应等问题，导致镍酸锂电化学循环性能差。目前改善镍酸锂的电化学性能主要采用掺杂和包覆两种手段。在文献(I)Journal of Power Sources, 2001,99 :78-84 中，Jierong Ying 等人采用钴元素掺杂方式制备了 LiNia8Coa2O2电极材料，该电极材料在电流密度为0. 5mA · cnT2， 充放电电压范围为3. 0-4. 3V的测试条件下表现出良好的电化学循环性能，但其首次放电比容量仅为172mAh · g—1。在文献(2) Electrochemical and Solid-State Letters, 2001,4 (10) :A159_A161 中，Jaephil Cho等人采用溶胶-凝胶方法制备了 ^O2包覆LiNW2电极材料，该电极材料在充放电电压范围为2. 75-4. 3V，充放电倍率为0. 2C的测试条件下表现出良好的电化学循环性能，首次放电比容量为190mAh ν—1，但较LiNW2电极材料200mAh -g"1的比容量降低了 IOmAh · g-1。总之，采用掺杂或包覆方式对镍酸锂材料进行改性，通常会造成初始比容量的降低，丧失了镍酸锂高比容量的特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，在保持镍酸锂高比容量特性的同时，改善其电化学循环性能和倍率性能。本专利技术钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料具有以钴铝酸锂LiCoa75Ala25O2为壳-镍酸锂LiNW2为核的核壳结构，其化学组成可以描述为XLiCoa75Alc^5A · (1-x)LiNiO2,其中，χ 为LiCoa75Ala25A占电极材料的物质的量分数，χ的取值范围为0. 08-0. 12。先在球形镍酸锂表面包覆一层钴铝水滑石，然后与锂源材料均勻混合，在氧气气氛下经两次煅烧可以得到本专利技术钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料。具体工艺包括如下步骤(1)按照 Li Ni Co Al Na 摩尔数为 1 0. 88-0. 92 0. 06-0. 09 0. 02-0.03 0. 16-0. 24的物质的量比例关系分别称取相应质量的锂源材料、球形氢氧化镍、钴源材料、铝源材料和氢氧化钠。(2)将上述第(1)步称取的球形氢氧化镍加入盛有去离子水的反应容器中，去离子水的质量为球形氢氧化镍质量的5-10倍，机械搅拌混合均勻作为反应底液；将上述第(1)步称取的钴源材料和铝源材料溶于去离子水配制混合盐溶液，钴和铝金属离子总的浓度为1.0-2. Omol · L—1 ；将上述第(1)步称取的氢氧化钠溶于去离子水，配制浓度为 2. 0-4. Omol · L—1的氢氧化钠水溶液；机械搅拌下，同时将上述混合盐溶液、氢氧化钠水溶液这两种溶液滴加到反应底液中，控制反应体系的PH值为10. 5-11.5 ；滴加完成后，继续搅拌2-5小时后过滤，用去离子水洗涤滤饼至滤液的pH值为7-7. 5，抽滤后得到的滤饼在 80-150°C干燥4-M小时，得到钴铝水滑石包覆氢氧化镍的前驱体；(3)将上述钴铝水滑石包覆氢氧化镍前驱体和第(1)步称取的锂源材料混合均勻，在氧气气氛下，进行第一次高温煅烧，煅烧温度为550-600°C，煅烧时间为20-30小时； 将煅烧后所得产物机械粉碎后进行第二次高温煅烧，煅烧温度为650-700°C，煅烧时间为 20-30小时，所得产物机械粉碎后过200目筛得到钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料。其中，锂源材料为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂中的一种，钴源材料为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴中的一种；铝源材料为硝酸铝、氯化铝中的一种。采用场发射扫描电镜(FESEM)表征样品的表面形貌和微观结构。球形氢氧化镍在低放大倍率(3K)和高放大倍率(100K)下的FESEM照片如图1和图2所示，钴铝水滑石包覆球形氢氧化镍在低放大倍率(3K)和高放大倍率(100K)下的FESEM照片如图3和图4所示，镍酸锂的FESEM照片如图5所示，钴铝酸锂包覆镍酸锂的FESEM照片如图6所示。采用片状结构的钴铝水滑石作为包覆材料，可以形成均勻致密的包覆层；另外，钴和铝在水滑石中分布均勻，也有利于产物中钴和铝在钴铝酸锂包覆层中的均勻分布。镍酸锂和钴铝酸锂包覆镍酸锂的X-射线衍射光谱如图7所示，钴铝酸锂包覆镍酸锂材料保持了镍酸锂的层状结构。将镍酸锂及钴铝酸锂包覆镍酸锂分别作为正极材料，将正极材料、乙炔黑导电剂和聚偏氟乙烯粘结剂按照80 10 10的质量比混合，涂于铝箔集流体上，80°C烘干后用冲片机制得直径为Icm的电极片，负极为金属锂片，隔膜为Celgard 2400，电解质溶液为 EC+DMC+EMC+lmol · L-1LiPF6，在德国布劳恩公司UNlab型惰性气体手套箱(O2和H2O的含量均小于lppm)内组装成CR2032扣式电池。采用武汉蓝电CT 2001A型电池测试系统进行电化学性能测试。在充放电电压范围为2. 75-4. 3V，充放电倍率为0. 5C测试条件下，镍酸锂及钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料的电化学循环性能曲线如图8所示，经过30周循环后，钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料的放电比容量为183mAh · g—1，而镍酸锂对比样的放电比容量只有133mAh · g—1，表明钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料具有良好的电化学循环性能。镍酸锂及钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料在不同充放电倍率下的电化学循环性能曲线如图9所示，在 0. IC充放电倍率下，两种正极材料的放电比容量相差不大，均可达到210mAh ^―1，但随着充放电倍率的增大，镍酸锂的放电比容量大幅度降低，而钴铝酸锂包覆镍酸锂的放电比容量却变化较小，在3C充放电倍率下，钴铝酸锂包覆镍酸锂的放电比容量为160mAh · g—1，而镍酸锂对比样的放电比容量仅为50mAh · 这说明钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料的倍率性能优异。本专利技术的实施效果及优点在于本专利技术钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料将镍酸锂的高比容量及钴铝酸锂的良好循环性能和倍率性能的优点相结合，使钴铝酸锂包覆镍酸锂正极材料在保持镍酸锂材料高比容量的特性下，循环性能和倍率性能也得到显著提高，此外本专利技术方法工艺简单、易于控制，适合工业化生产。附图说明图1是球形氢氧化镍在低放大倍率(3K)下的场发射扫描电镜照片。图2是球形氢氧化镍在高放大倍率(100K)下的场发射扫描电镜照片。图3是钴铝水滑石包覆球形氢氧化镍在低放大倍率(3K)下的场发射扫描电镜照片。图4是钴铝水滑石包覆球形氢氧化镍在高放大倍率(100K)下的场发射扫描电镜照片。图5是本专利技术对比例1制备的镍酸锂的场发射扫描电镜照片。图6是本专利技术实施例1制备的钴铝酸锂包覆镍酸锂的场发射扫描电镜照片。图7是本专利技术对比例1制备的镍酸锂和实施例1制备的钴铝酸锂包覆镍酸锂的 X-射线衍射谱图。其中，横坐标-角度2本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种钴铝酸锂包覆镍酸锂电极材料，其特征在于：该电极材料具有以钴铝酸锂ＬｉＣｏ０．７５Ａｌ０．２５Ｏ２为壳－镍酸锂ＬｉＮｉＯ２为核的核壳结构，其化学组成描述为ｘＬｉＣｏ０．７５Ａｌ０．２５Ｏ２·（１－ｘ）ＬｉＮｉＯ２，其中，ｘ为ＬｉＣｏ０．７５Ａｌ０．２５Ｏ２占电极材料的物质的量分数，ｘ的取值范围为０．０８－０．１２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文胜，王茹英，毛冲，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11