正极活性物质的制备方法及其根据此方法制备的正极活性物质与流程

本发明涉及一种正极活性物质的制备方法及其根据此方法制备的正极活性物质,更详细地说，是涉及一种用含巯基官能团的化合物溶液进行洗涤，并且表面含有残硫、减少锂残留量的正极活性物质的制备方法及其根据此方法制备的正极活性物质。
背景技术：
：电池通过在正极和负极上使用能够发生电化学反应的物质，从而产生电力。这些电池中具有代表性的例子有在正极及负极中锂离子根据嵌入/脱嵌时的化学势(chemicalpotential)的变化，从而产生电能的锂二次电池。上述锂二次电池是将能够进行锂离子的可逆嵌入/脱嵌的物质用作正极和负极的活性物质，并在上述正极和负极之间填充有机电解液或聚合物电解液，从而制备得到。锂二次电池使用锂复合金属化合物作为正极活性物质，制备锂复合氧化物的方法通常包括制备过渡金属前驱体，并将所述过度金属前驱体与锂化合物混合后，对所述混合物进行烧成的步骤。关于锂复合氧化物，目前对复合金属氧化物进行研究，例如有licoo2、limn2o4、linio2、limno2等。所述提及的锂复合氧化物中，licoo2具有优越的寿命特性和充放电效率，因而目前使用最多，但存在缺点，比如结构稳定性下降，以及由于作为原料使用的钴的有限来源之故较昂贵，因此价格竞争力受到限制等。锂锰氧化物如limno2、limn2o4等具有热稳定性优异、价格低廉的优点，但存在容量小，高温特性差的问题。另外，linio2系正极活性物质虽然具有高放电容量的电池特性，但因li和过渡金属之间的阳离子混合(cationmixing)问题而合成非常困难，从而输出(rate)特性方面存在着较大问题。而且，由于ni含量为65％以上的镍富系统(nirichsystem)是低温反应，因此有以lioh、li2co3形态存在于正极活性物质表面的锂残留量反而较高的问题。这种残留锂即未反应的lioh和li2co3在电池中与电解液等反应，引起气体的产生及膨胀现象，从而导致高温安全性严重下降的问题。另外，在制备极板前混合浆料时，未反应lioh由于粘度高而导致凝胶化。技术实现要素：技术问题为解决上述以往技术的问题，本发明的目的是提供一种减少锂残留量的新型正极活性物质的制备方法。另外，本发明的目的是提供一种通过本发明的正极活性物质的制备方法制备的正极活性物质。技术方案为解决上述的课题，本发明提供一种正极活性物质的制备方法，包括以下步骤：第1步骤，制备由下述化学式1至2组成的组中选择的正极活性物质：＜化学式1＞lix1ni1-y1m1y1o2-αxα＜化学式2＞lix1ni1-y2-z2coy2m2z2o2-αxα(在所述化学式1以及化学式2中，0.9≤x1≤1.3、0≤y1≤0.4、0≤y2≤0.4、0≤z2≤0.4、0≤y2+z2≤0.4、0≤α≤2；m1和m2为选自al、ni、mn、cr、fe、mg、sr、v、zn、w、zr、b、ba、sc、cu、ti、co和稀土元素以及它们的组合中的一种以上元素；x为选自由o、f、s和p组成的群中的元素。)；第2步骤，用含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质；以及第3步骤，进行干燥。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，用所述含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质的第2步骤，其包括以下步骤：第2-1步骤，向反应器中投入蒸馏水和所述含巯基官能团的化合物，从而制备含巯基官能团的溶液；第2-2步骤，将反应器内部温度保持在5℃至50℃；以及第2-3步骤，将正极活性物质投入反应器中进行搅拌。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，所述含巯基官能团的化合物选自由以下组成的组中：2-噻唑啉-2-硫醇、5-氨基-1，3，4-噻二唑-2-硫醇、1，3，4-噻二唑-2，5-二硫醇、2，5-二甲基呋喃-3-硫醇、(1，2，4)噻二唑-3，5-二硫醇、1-苯基-1氢-四唑-5-硫醇、4-甲基-4氢-1，2，4-三唑-3-硫醇、5-甲基-1，3，4-噻二唑-2-硫醇、二硫代乙醇、s-三嗪-2，4，6-三硫醇、7-甲基-2，6，8-三巯基嘌呤和4，5-二氨基-2，6-二巯基嘧啶。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，在向反应器中投入蒸馏水和所述含巯基官能团的化合物来制备含巯基官能团的化合物溶液的所述第2-1步骤中，将所述含巯基官能团的化合物按每100重量份蒸馏水加入0.01至10重量份的比例混合。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，用所述含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质的第2步骤，其包括以下步骤：第2-4步骤，将所述正极活性物质涂布于过滤元件；以及第2-5步骤，通过使所述含巯基官能团的溶液透过含有所述正极活性物质的过滤元件，进行洗涤。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，用所述含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质的第2步骤，其包括以下步骤：第2-1步骤，向反应器中投入蒸馏水和所述含巯基官能团的化合物，从而制备含巯基官能团的溶液；第2-2步骤，将反应器内部温度保持在5℃至50℃；第2-3步骤，将正极活性物质投入反应器中进行搅拌；第2-4-1步骤，将所述第2-3步骤中制得的洗涤后的正极活性物质涂布于过滤元件；以及第2-5-1步骤，通过使所述含巯基官能团的溶液透过含有所述正极活性物质的过滤元件，进行洗涤。本发明的正极活性物质的制备方法中，用所述含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质的方法，如上所述地，可以用以下方式：将含巯基官能团的化合物溶液加入反应器中，并向其中投入正极活性物质进行搅拌；此外有压滤机方式，即将正极活性物质制成过滤器形式后，例如用加压的方式使所述含巯基官能团的化合物溶液透过。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，用所述含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质的第2步骤，其包括以下步骤：第2-4步骤，将所述正极活性物质涂布于过滤元件；第2-5步骤，通过使所述含巯基官能团的溶液透过含有所述正极活性物质的过滤元件，进行洗涤；第2-6步骤，向反应器中投入蒸馏水和所述含巯基官能团的化合物，从而制备含巯基官能团的溶液；第2-7步骤，将反应器内部温度保持在5℃至50℃；以及第2-8步骤，将所述第2-5步骤中洗涤得到的正极活性物质投入反应器中，进行搅拌。即，本发明的正极活性物质的制备方法中，在用所述含巯基官能团的化合物溶液洗涤所述正极活性物质的步骤中，以下方式皆可用：将所述正极活性物质投入所述含巯基官能团的化合物溶液中搅拌，进行第一次洗涤后，将所述洗涤后的正极活性物质涂布于过滤元件，用压滤机方式使溶液透过而进行第二次洗涤；或者，将正极活性物质涂布于过滤元件，用压滤机方式使溶液透过而进行第一次洗涤后，将洗涤后的正极活性物质和含巯基官能团的化合物溶液一同投入反应器中，进行第二次洗涤。另外，根据需要，还可进行多次洗涤。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，在进行干燥的所述第3步骤中，将所述正极活性物质在50℃至400℃温度下干燥1小时至20小时。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，所述正极活性物质在正极活性物质的粒子内部的至少一部分包含浓度梯度部，在该浓度梯度部中，选自由所述ni、co、m1和m2组成的组中的一种以上元素的浓度从粒子中心向表面部方向呈梯度递增或梯度递减。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，所述浓度梯度部的面积占粒子总面积的80％以上。本发明的正极活性物质的制备方法，其特征在于，所述浓度梯度部的面积占粒子总面积的10％以上且50％以下。在本发明的正极活性物质的制备方法中，所述正极活性物质可以是粒子大小均匀的粒子，或者可以混合粒子大小不同的粒子。另外，本发明提供一种通过本发明的正极活性物质的制备方法制备的洗涤后的正极活性物质。通过本发明的正极活性物质的制备方法制备的正极活性物质，其特征在于，所述正极活性物质中的残留锂含量是lioh为0.3重量百分比(％)以下，li2co3为0.5重量百分比以下。通过本发明的正极活性物质的制备方法制备的正极活性物质，其特征在于，所述正极活性物质中的硫含量为500ppm至5000ppm。技术效果本发明的正极活性物质的制备方法，通过用含巯基官能团的化合物溶液进行洗涤，从而通过本发明制备的正极活性物质包含残留硫，并具有大幅减少未反应残留锂的效果。附图说明图1及图2和图3为对由本发明一实施例及比较例的正极活性物质制备的电池的充放电特性进行测定的结果。图4及图5为对由本发明一实施例及比较例的正极活性物质制备的电池的寿命特性进行测定的结果。具体实施方式以下，根据实施例更详细说明本发明。但是，本发明并不是进一步限定于实施例。＜制备例1＞制备含巯基官能团的洗涤溶液将1，3，4-噻二唑-2，5-二硫醇作为硫醇系材料溶解于diw中，从而制备含巯基官能团的洗涤溶液。＜制备例2＞制备含巯基官能团的洗涤溶液将2-噻唑啉-2-硫醇作为硫醇系材料溶解于diw中，从而制备含巯基官能团的洗涤溶液。＜制备例3＞制备含巯基官能团的洗涤溶液将2，5-二甲基呋喃-3-硫醇作为硫醇系材料溶解于diw中，从而制备含巯基官能团的洗涤溶液。＜制备例4～10＞制备正极活性物质制备的正极活性物质，如下表1所示。表1＜实施例1＞洗涤活性物质将根据上述制备例1制备的含巯基官能团的洗涤溶液加入反应器中，反应器内部温度保持在5℃至50℃后，加入根据上述制备例4制备的正极活性物质以制备浆料，将混合浆料在1800rpm下搅拌5分钟进行洗涤，上述正极活性物质，具有浓度梯度、整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1，且粒子大小相同。将如此洗涤得到的正极活性物质浆料用压滤机进行过滤，在130℃的真空下进行热处理干燥12小时，从而制备实施例1的洗涤后的活性物质。＜实施例2＞洗涤活性物质根据制备例4制备的，即具有浓度梯度、整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1且粒子大小相同的正极活性物质涂布于过滤元件后，在上述制备例1制备的含巯基官能团的洗涤溶液的温度保持在50℃的情况下，用压滤机使含巯基官能团的洗涤溶液透过所述正极活性物质以进行洗涤，含巯基官能团的洗涤溶液的用量相对于100重量份正极活性物质为200重量份。将洗涤后的正极活性物质浆料在130℃的真空下进行热处理12小时，从而制备实施例2的洗涤后的活性物质。＜实施例3＞洗涤活性物质将上述制备例1制备的含巯基官能团的洗涤溶液加入反应器中，反应器内部温度保持在5℃至50℃后，加入上述制备例4制备的正极活性物质以制备浆料，将混合浆料在1800rpm下搅拌5分钟进行洗涤，上述正极活性物质，具有浓度梯度、整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1，且粒子大小相同。然后，将所述洗涤后的正极活性物质涂布于过滤元件后，在上述制备例1制备的含巯基官能团的洗涤溶液的温度保持在50℃的情况下，用压滤机使含巯基官能团的洗涤溶液透过所述正极活性物质以进行洗涤，含巯基官能团的洗涤溶液的用量相对于100重量份正极活性物质为200重量份。将洗涤后的正极活性物质浆料在130℃的真空下进行热处理12小时，从而制备实施例3的洗涤后的活性物质。＜实施例4＞洗涤活性物质通过与上述实施例1相同的方法洗涤根据制备例5制备的正极活性物质，即具有浓度梯度，整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1，且粒子的大小不均匀的正极活性物质，从而制得实施例4的正极活性物质。＜实施例5＞洗涤活性物质通过与上述实施例3相同的方法洗涤根据制备例5制备的正极活性物质，即具有浓度梯度，整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1，且粒子的大小不均匀的正极活性物质，从而制得实施例5的正极活性物质。＜实施例6＞洗涤活性物质通过与上述实施例3相同的方法洗涤根据制备例6制备的涂敷ti的正极活性物质，从而制得实施例6的正极活性物质。＜实施例7＞洗涤活性物质通过与上述实施例3相同的方法洗涤根据制备例7制备的涂敷zr的正极活性物质，从而制得实施例7的正极活性物质。＜实施例8＞洗涤活性物质通过与上述实施例3相同的方法洗涤根据制备例4制备的正极活性物质，即具有浓度梯度，且整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1的正极活性物质，从而制得实施例8的正极活性物质，其中，含巯基化合物水溶液中的含巯基化合物加入量是按每100重量份diw加入0.3重量份的比例进行调节的。＜实施例9＞洗涤活性物质通过与上述实施例3相同的方法洗涤制备例4制备的正极活性物质，即具有浓度梯度，且整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1的正极活性物质，从而制得实施例9的正极活性物质，其中，含巯基化合物水溶液中的含巯基化合物加入量是按相对于实施例8的1.7倍进行调节的。＜实施例10＞洗涤活性物质通过与上述实施例1相同的方法洗涤上述制备例8制备的正极活性物质nca，制得实施例10的正极活性物质，其中，含巯基化合物水溶液中的含巯基化合物加入量是按相对于实施例8的1.7倍进行调节的。＜实施例11＞洗涤活性物质通过与实施例1相同的方法，用上述制备例2制备的含巯基官能团的洗涤溶液洗涤上述制备例5制备的正极活性物质，制得实施例11的正极活性物质。＜实施例12＞洗涤活性物质通过与实施例1相同的方法，用上述制备例2制备的含巯基官能团的洗涤溶液洗涤上述制备例9制备的正极活性物质，制得实施例12的正极活性物质。＜实施例13＞洗涤活性物质通过与实施例1相同的方法，用上述制备例2制备的含巯基官能团的洗涤溶液洗涤上述制备例10制备的正极活性物质，制得实施例13的正极活性物质。＜实施例14＞洗涤活性物质通过与实施例1相同的方法，用上述制备例3制备的含巯基官能团的洗涤溶液洗涤上述制备例4制备的正极活性物质，制得实施例14的正极活性物质。＜实施例15＞洗涤活性物质通过与实施例1相同的方法，用上述制备例3制备的含巯基官能团的洗涤溶液洗涤上述制备例4制备的正极活性物质，制得实施例14的正极活性物质。＜实施例16＞洗涤活性物质通过与实施例1相同的方法，用上述制备例3制备的含巯基官能团的洗涤溶液洗涤上述制备例10制备的正极活性物质，制得实施例15的正极活性物质。＜比较例1＞对制备例4制备的正极活性物质不进行洗涤，制得比较例1的正极活性物质。＜比较例2＞通过与上述实施例1相同的方法洗涤制备例5制备的正极活性物质，制得比较例2的正极活性物质，不同的是，采用diw溶液代替含巯基官能团的洗涤溶液。＜比较例3＞通过与上述实施例3相同的方法洗涤上述制备例4制备的，即具有浓度梯度，且整个粒子的平均组成为ni：co：mn＝8：1：1的正极活性物质，制得比较例3的正极活性物质，其中，含巯基化合物水溶液中的含巯基化合物加入量是按相对于实施例8的2.3倍进行调节的。＜比较例4＞通过与上述实施例1相同的方法洗涤制备例8制备的正极活性物质，制得比较例4的正极活性物质，不同的是，采用diw溶液代替含巯基官能团的洗涤溶液。＜比较例5＞通过与上述实施例1相同的方法洗涤制备例9制备的正极活性物质，制得比较例5的正极活性物质，不同的是，采用diw溶液代替含巯基官能团的洗涤溶液。＜实验例1＞测定未反应的锂含量将5g上述实施例制备的正极活性物质加入100ml的diw溶液中搅拌15分钟，随后过滤，取50ml溶液，向其中加入0.1m的hcl，测定根据ph变化的hcl消耗量。根据hcl的消耗量决定q1和q2，通过下述公式计算锂残留量，即未反应的lioh和li2co3的量，计算结果示于表2。m1＝23.94(lioh分子量)m2＝73.89(lico分子量)spl大小＝(样品重量*溶液重量)/水重量lioh(wt％)＝[(q1-q2)*c*m1*100]/(spl大小*1000)lico(wt％)＝[2*q2*c*m2/2*100]/(spl大小*1000)[表2]从上述表2中的结果可以确认，与没有洗涤的比较例1相比，用含巯基官能团的化合物洗涤时，锂残留量大幅减少。＜实验例2＞测定硫残留量用icp测定上述制备例制备的实施例及比较例的活性物质的硫残留量，其测定结果示于下表3。[表3]洗涤后的硫残留量(ppm)比较例1.-比较例2.491比较例3.2,218比较例4.-比较例5.326实施例1.1,841实施例2.1,561实施例3.1,607实施例4.827实施例5.1,832实施例6.1,609实施例7.1,605实施例8.1,051实施例9.1,583实施例10.-实施例11.1,786实施例12.1,109实施例13.1,325实施例14.1,617实施例15.1,287从上述表3中的结果可知，洗涤时使用的含巯基化合物水溶液中的硫含量越高，则测出的硫残留量越高。＜制备例11＞制备半电池按上述实施例及比较例制备的正极活性物质94重量％、导电材料(super-p)3重量％、粘合剂(pvdf)3重量％的比例，分别取4.7g：0.15g：0.15g混合，利用搅拌机在1900rpm下混合10分钟后，用微型涂膜器(microfilm-applicator)涂布于铝箔上，在135℃的烘箱中干燥4小时，以制备正极板，使用锂金属箔作为负极板，聚丙烯(宽度范围：20μm)作为隔膜，溶解有1.15mlipf的ec/emc/dmc/fb＝3/3/3/1溶液作为电解液，以制备纽扣电池(coincell)。＜实验例3＞电池特性评估对上述制备例制备的包含实施例及比较例的活性物质的半电池进行充放电特性测定和寿命特性测定，测定结果示于表4及图1至图5。[表4]图1表示测定对于制备例5制备的粒子的大小不均匀的正极活性物质csg131的根据洗涤方法的放电容量及充放电效率的结果。从中可知，与只用diw进行洗涤的比较例2相比，使用溶解有硫醇系高分子物质的水溶液进行洗涤的实施例4和实施例5的放电容量及充放电效率更优秀。图2表示测定对于制备例4制备的粒子的大小不均匀的正极活性物质csg131的根据洗涤溶液浓度的放电容量及充放电效率的结果。从中可知，当使用溶解有硫醇系高分子物质的水溶液进行洗涤时，放电容量及充放电效率更具优越性，但是如比较例3那样用量过度时，放电容量及充放电效率反而降低。图3表示测定没有进行洗涤的比较例1，及使用2，5-二甲基呋喃-3-硫醇作为硫醇系高分子物质的实施例14的放电容量及充放电效率的结果。从中可知，当进行洗涤时，放电容量及充放电效率更优秀。图4表示只用diw洗涤的比较例2的正极活性物质，及进行两次洗涤的实施例5的正极活性物质的寿命性能比较的结果。从中可知，实施例5的正极活性物质的寿命更优秀。图5表示比较例5、实施例13和实施例15的寿命性能比较的结果，其中，在比较例5中，只用diw洗涤ni含量为88％且粒子的大小不均匀的正极活性物质csg131；在实施例13中，用2-噻唑啉-2-硫醇洗涤ni含量为88％的ncm正极活性物质；在实施例15中，用2，5-二甲基呋喃-3-硫醇洗涤ni含量为88％的ncm正极活性物质。从中可知，使用溶解有硫醇系高分子物质的溶液进行洗涤的实施例13和实施例15与比较例5相比，寿命性能更优秀。当前第1页12