一种具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂的制备方法与流程

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法与应用，具体为具有二维形貌钴酸锂的制备方法，属于新能源材料制备技术及应用领域。

背景技术：

电动汽车的快速发展，对锂离子电池的性能要求越来越高。当今锂离子电池发展趋势之一就是提高其能量密度，同时保证具有较低的价格，高的热稳定性以及长的循环寿命。1992年才开始商品化的钴酸锂正极材料，在便携式电子设备、电动车、空间技术、国防工业等领域都有良好的应用前景。

优良的电化学性能取决于高效的电荷传输和质量传递，增强活性材料的表面电化学反应能够进一步提高电极材料的储锂性能。因而，降低材料尺寸合成出主要由表面构成的二维结构材料就成为一种有效途径，拥有足够大的外表面空间，能有效缓解电化学反应过程中的体积膨胀，进而可以增加电极材料的长期循环稳定性。然而，寻找开发一种简单大规模制备具有二维形貌钴酸锂的方法就成了其在锂离子电池应用中亟待解决的关键问题。利用微波辅助快速合成方法在合成特殊结构的纳米材料中表现出了巨大的优势。相比较大多数传统合成方法，微波辅助合成法是一种新兴、简单、环保的材料合成方法。利用微波的快速选择性均匀加热，能够合成出高质量的纳米结构材料，且适合大规模制备。申请人合理设计，借助微波辅助合成出了高质量具有二维形貌钴酸锂。该方法操作工艺简单、原料易得，适合工业化生产。据申请人所知，至今为止未见报道过利用微波辅助合成具有二维形貌钴酸锂的方法。所制备的钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料，且具有良好的电化学性能，是一类具有广泛应用前景的电极材料。

技术实现要素：

本发明的目的在与克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种方便、简单、廉价节能的大规模制备具有二维形貌钴酸锂制备方法。本发明通过一种快速，简单的微波法可合成大量的具有二维形貌氢氧化钴前驱体。随后通过简单的高温固相法，可以得到钴酸锂正极材料。

本发明的钴酸锂正极材料的技术方案如下：

(1)将钴盐溶于亲水性溶剂中，溶解后溶液中钴离子的摩尔浓度为0.05～1.50mol/l，然后按照钴离子与碱性试剂的摩尔比为1:(1～8)加入一定量的碱性试剂，混合后继续搅拌30分钟，在微波激发加热条件下冷凝回流，自然冷却至室温后离心分离得到氢氧化钴前驱体。

(2)将上步得到的氢氧化钴前驱体与锂盐在乙醇中充分混合，然后在120℃条件下干燥，研磨30分钟后得到前驱体粉体，最后，将前驱体粉体转移至高温炉中在500～1000℃温度下热处理1～20小时，随炉温冷却至室温得到具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂。

以上所述的钴盐为：氯化钴，硝酸钴，乙酸钴，硫酸钴中的一种或两种以上的混合盐；所述亲水性试剂为：去离子水，乙醇，乙二醇，异丙醇，正丙醇，正丁醇，异丁醇中的一种或两种以上的混合溶剂；所述碱性试剂为：尿素，氢氧化钠，氨水，碳酸氢铵中的一种或两种以上的混合碱；所述锂盐为：乙酸锂，碳酸锂，氢氧化锂，硝酸锂一种或两种以上的混合锂盐。

根据本发明制备得到的钴酸锂形貌均一，结晶度好，是一种循环性能和倍率性能优良的锂离子电池正极材料。除此之外，本发明采用的微波液相合成法，反应周期短，反应产率高，成本低，工艺路线简单，能耗低，适合工业化量产。

附图说明

图1为本发明实施例1中钴酸锂的x射线衍射图(xrd)。

图2为本发明实施例1中氢氧化钴的透射电子显微镜图(tem)。

图3为本发明实施例1中钴酸锂的透射电子显微镜图(tem)。

图4为本发明实施例1中钴酸锂的倍率性能图。

图5为本发明实施例1中钴酸锂的循环性能图。

具体实施方式

从以下实施例可以进一步理解本发明，但本发明要求保护范围并不局限于以下实施例的表述范围。

实施例1

(1)将氯化钴溶于乙二醇中，溶解后溶液中钴离子的摩尔浓度为0.05mol/l，然后按照钴离子与尿素的摩尔比为1:1加入一定量的尿素，混合后继续搅拌30分钟，在微波激发加热条件下冷凝回流，自然冷却至室温后离心分离得到氢氧化钴前驱体。

(2)将上步得到的氢氧化钴前驱体与乙酸锂在乙醇中充分混合，然后在120℃条件下干燥，研磨30分钟后得到前驱体粉体，最后，将前驱体粉体转移至高温炉中在700℃温度下热处理10小时，随炉温冷却至室温得到具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂。

图1为本实施例所制得的钴酸锂的x射线衍射图谱，分析材料的晶体结构。图2，3分别是氢氧化钴和钴酸锂的透射电子显微镜图片，从图中可见，所制得的材料形貌和尺寸比较均匀，分散性好。组装成电池后，钴酸锂具有优异的倍率性能和循环性能(见图4，图5)。

实施例2

(1)将硫酸钴溶于去离子水中，溶解后溶液中钴离子的摩尔浓度为0.5mol/l，然后按照钴离子与氢氧化钠的摩尔比为1:2加入一定量的氢氧化钠，混合后继续搅拌30分钟，在微波激发加热条件下冷凝回流，自然冷却至室温后离心分离得到氢氧化钴前驱体。

(2)将上步得到的氢氧化钴前驱体与碳酸锂在乙醇中充分混合，然后在120℃条件下干燥，研磨30分钟后得到前驱体粉体，最后，将前驱体粉体转移至高温炉中在600℃温度下热处理12小时，随炉温冷却至室温得到具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂。

实施例3

(1)将硝酸钴溶于乙醇中，溶解后溶液中钴离子的摩尔浓度为1mol/l，然后按照钴离子与氨水的摩尔比为1:3加入一定量的氨水，混合后继续搅拌30分钟，在微波激发加热条件下冷凝回流，自然冷却至室温后离心分离得到氢氧化钴前驱体。

(2)将上步得到的氢氧化钴前驱体与氢氧化锂在乙醇中充分混合，然后在120℃条件下干燥，研磨30分钟后得到前驱体粉体，最后，将前驱体粉体转移至高温炉中在800℃温度下热处理8小时，随炉温冷却至室温得到具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂。

实施例4

(1)将乙酸钴溶于乙二醇中，溶解后溶液中钴离子的摩尔浓度为1.5mol/l，然后按照钴离子与碳酸氢铵的摩尔比为1:4加入一定量的碳酸氢铵，混合后继续搅拌30分钟，在微波激发加热条件下冷凝回流，自然冷却至室温后离心分离得到氢氧化钴前驱体。

(2)将上步得到的氢氧化钴前驱体与硝酸锂在乙醇中充分混合，然后在120℃条件下干燥，研磨30分钟后得到前驱体粉体，最后，将前驱体粉体转移至高温炉中在500℃温度下热处理13小时，随炉温冷却至室温得到具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂。

实施例5

(1)将硝酸钴溶于异丙醇中，溶解后溶液中钴离子的摩尔浓度为0.5mol/l，然后按照钴离子与尿素的摩尔比为1:2加入一定量的尿素，混合后继续搅拌30分钟，在微波激发加热条件下冷凝回流，自然冷却至室温后离心分离得到氢氧化钴前驱体。

(2)将上步得到的氢氧化钴前驱体与碳酸锂在乙醇中充分混合，然后在120℃条件下干燥，研磨30分钟后得到前驱体粉体，最后，将前驱体粉体转移至高温炉中在900℃温度下热处理6小时，随炉温冷却至室温得到具有二维形貌锂离子电池正极材料钴酸锂。