的制备方法
【专利摘要】本发明是有关于一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，该制备方法具体涉及一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2(0.1≤x≤0.5，0.2≤y≤0.6，0.1≤z≤0.5，x+y+z＝1)的制备方法。首先将可溶性的锂盐、镍盐、钴盐和锰盐溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，搅拌均匀后倒入反应釜汇总并置于鼓风干燥箱中反应一段时间，然后将得到的产物烘干、研磨、煅烧得到LiNixCoyMnzO2(0.1≤x≤0.5，0.2≤y≤0.6，0.1≤z≤0.5，x+y+z＝1)三元正极材料。该制备方法操作简便，保证了原料之间分子级别的混合，制备的三元正极材料的粒径分布集中在纳米量级，能够有效地缩短锂离子的传输路径。该三元正极材料具有高比容量、高倍率性能和循环稳定性，适用于高倍率充放电需求。
【专利说明】—种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于锂离子电池正极材料的制备【技术领域】，具体涉及一种锂离子电池三元正极材料 LiNixCoyMnzO2 (0.1 彡 x 彡 0.5，0.2 彡 y 彡 0.6，0.1 彡 z 彡 0.5，x+y+z = I)的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着世界经济的快速发展，能源短缺与环境污染问题日益严重。同时，科学快速发展，对具有高能量密度的新型能源的需求日益增加，使得电气设备小型化的趋势日益显著，这就造成对高能电源的要求越来越高，这就迫切要求我们研制开发一种新型绿色能源代替传统的能源。锂离子电池的出现让我们看到了储能材料的新希望。锂离子电池具有高的比能量、环境友好、循环使用寿命长以及无记忆效应等诸多优点而受到了人们的普遍关注。锂离子电池正极材料主要包括钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)和磷酸亚铁锂(LiFePO4)等。其中，钴酸锂(LiCoO2)是最早商业化的锂离子电池正极材料，该材料性质稳定、循环性能好。但是钴资源稀缺且价格昂贵，给大规模的使用带来了阻碍。三元电极材料LiNixCoyMnzO2的提出一方面降低了钴的含量,有利于降低材料的成本；另一方面该材料具有高的比容量和循环性能，从而受到了人们的普遍关注。但是该材料在高倍率下的比容量和循环性能还有较大的提升空间。
[0003]当前合成三元正极材料的主要方法以固相合成为主，该方法具有设备简单、易于产业化等优点，但是该合成过程能耗大、效率低、易混入杂质、电化学性能欠佳。Xiaodong Guo 等(Kui Yin, Weimao Fang, Benhe Zhong, Xiaodong Guo, Yan Tang, XiangNie, Electrochimica Acta 85 (2012) 99 - 103.)通过共沉淀法合成了 LiNi 1/3Co1/3Mn1/302正极材料，该电极材料在放电倍率是0.1C时，放电容量可以达到175mAh g_\但是制备过程繁琐，很难保证原料能充分以分子级别混合均匀，难以实现大规模工业化量产。王志兴(CN201110331881.1)公开了采用共沉淀-硅包覆-高温烧结_脱硅联合的方法合成了LiNixCoyMn1^yO2正极材料,该材料充放电性能可达194.4?210.3mAh g4,但是制备过程繁琐，条件不易控制且成本很高。
[0004]有鉴于上述现有的三元正极材料的制备方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法,能够改进一般现有的三元正极材料的制备方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2 (0.1 彡 x 彡 0.5，0.2 彡 y 彡 0.6，0.1 彡 z 彡 0.5, x+y+z = I)的制备方法，该方法具有制备工艺简单，过程易于控制等特点。
[0006]本发明的实验过程是首先将可溶性的锂盐、二价镍盐、二价钴盐和二价锰盐按摩尔比 l:x:y:z 的比例，其中 0.1 < X < 0.5,0.2 < y < 0.6,0.1 < z < 0.5,x+y+z = I,加入到去离子水和无水乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，待其完全溶解后再依次加入间苯二酚和甲醛，搅拌使其完全溶解。然后将得到的溶液转移至反应釜中，密封后置于鼓风干燥箱中反应12?72小时。反应结束后，取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将釜内的前驱体从反应釜内取出，然后将前驱体置于鼓风干燥箱中，经过干燥、研磨、煅烧，从而得到本发明所述的LiNixCoyMnzO2三元正极材料。该过程操作简便，实验条件容易控制且保证了原料以分子级别的混合，降低了杂质的生成概率。
[0007]本发明所述的锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2 (0.1 ^ x ^ 0.5,0.2 < y < 0.6,0.1 < z < 0.5, x+y+z = I)的制备方法,其步骤如下:
[0008](a)将可溶性的锂盐、二价镍盐、二价钴盐和二价锰盐按摩尔比l:x:y:z的比例其中，0.1 ^ X ^ 0.5,0.2 ^ y ^ 0.6,0.1 ^ z ^ 0.5, x+y+z = I,加入到去离子水和无水乙醇的混合溶液中，锂盐的浓度为0.3?1.0mol.dnT3，去离子水和无水乙醇的体积比为1: 0.5?2.0，搅拌均匀，待其完全溶解后再依次加入间苯二酚和甲醛，其摩尔比1:1?3.0，搅拌使其完全溶解；
[0009](b)将步骤(a)得到的溶液转移至反应釜中，密封后置于鼓风干燥箱中，于60?120摄氏度条件下反应12?72小时；
[0010](c)反应结束后，取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将釜内的前驱体从反应釜内取出，然后将前驱体置于鼓风干燥箱中干燥；
[0011](d)将步骤(C)得到的前驱体在空气气氛或者是氧气气氛下、550?850摄氏度条件下高温烧结6?24小时，从而得到本发明所述的LiNixCoyMnzO2 (0.1彡x彡0.5，0.2 ^ y ^ 0.6,0.1 ^ z ^ 0.5, x+y+z = I)三元正极材料。
[0012]在步骤(a)中，所述三元正极材料LiNixCoyMnzO2中x、y、z的取值范围为:
0.1 彡 X 彡 0.5，0.2 彡 y 彡 0.6，0.1 彡 z 彡 0.5，且 x+y+z = I。
[0013]在步骤(a)中，所述锂盐为硝酸锂、醋酸锂、氯化锂、碳酸锂中的一种或多种。
[0014]在步骤(a)中，所述二价镍盐为硝酸镍、醋酸镍、氯化镍中的一种或多种。
[0015]在步骤(a)中，所述二价钴盐为硝酸钴、醋酸钴、氯化钴中的一种或多种。
[0016]在步骤(a)中，所述二价锰盐为硝酸锰、醋酸锰、氯化锰中的一种或多种。
[0017]在步骤(a)中，所述锂盐的浓度范围为0.3?1.0mol.dnT3去离子水和无水乙醇的体积比为1: (0.5?2.0);间苯二酚和甲醛的摩尔比为1: (I?3.0)。
[0018]在步骤(b)中，该反应的温度为60?120°C，该反应的时间为12?72小时。
[0019]在步骤⑷中，该高温烧结的温度为550?850°C，该高温烧结的时间为6?24小时。
[0020]借由上述技术方案，本发明的优点和效果在于:通过本发明方法制备的LiNixCoyMnzO2，其中 0.1 彡 x 彡 0.5，0.2 彡 y 彡 0.6，0.1 彡 z 彡 0.5，x+y+z = I，能够保证原料以分子级别的均匀混合，有利于降低合成反应温度和杂相的生成概率。同时碳凝胶的存在在后面的烧结过程中阻止活性材料之间的接触生长，制备得到的三元正极材料具有纳米级的尺寸，有助于电化学性能的提高。电化学测试结果表明，该材料具有高的比容量和循环稳定性能，适用于高倍率充放电需求。
[0021]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是实施例1制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料的X射线衍射图。
[0023]图2是实施例1制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料在0.5C充放电倍率下第
1、10、20、30、40、50次的充放电曲线图。
[0024]图3是实施例1制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料在充电倍率为0.5C，不同放电倍率下的倍率性能图。
[0025]图4是实施例1制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料在0.5C倍率下充电，5C、10C、20C、30C、50C放电倍率下循环50次的循环性能图。
【具体实施方式】
[0026]为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法其【具体实施方式】、步骤及其功效，详细说明如后。
[0027]实施例1
[0028]I)准确称取 1.38g LiNO3' 1.94g Ni (NO3) 2.6H20、1.94g Co (NO3) 2.6H20 和 1.55mLMn (NO3)2 (50wt % )加入到30mL去离子水和无水乙醇的混合溶液中(体积比1:2)，搅拌均匀，待其完全溶解后再依次加入2.2g间苯二酚和3.0mL甲醛(36.5wt% )，搅拌使其完全溶解；
[0029]2)将步骤I)得到的溶液转移至不锈钢反应釜中，密封后置于鼓风干燥箱中，于85摄氏度条件下反应48小时；
[0030]3)反应结束后，取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将釜内的前驱体从反应釜内取出，然后将前驱体置于鼓风干燥箱中，于80摄氏度条件下干燥12小时；；
[0031]4)将步骤3)得到的前驱体在空气气氛下、700摄氏度条件下高温烧结6小时，从而得到LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料，质量约为1.8g。
[0032]电化学性能测试:
[0033]将所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料与导电剂(乙炔黑)、粘结剂(PVDF)按质量比8:1:1的比例混合，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，充分混合成浆并均匀涂布于铝箔上，然后置于真空干燥箱中120摄氏度干燥24小时，烘干后裁剪成电极的正极片。模拟电池的组装在充满高纯氩气的手套箱中进行，箱内氧含量和水分含量均控制在Ippm以下。以金属锂片为负极，电解液为lmol/L LiPF6/EC+DMC+EMC(质量比1:1:1)。在LAND CT2001A电池测试系统上进行充放电测试，测试的电压范围为2.5-4.4V。
[0034]实施例2
[0035]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤I)中的LiNO3的质量为0.62g，浓度为0.3mol.dm_3。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为0.80g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为171.0mAhg'循环50次后放电容量为160.0mAh g_\比容量保有率为93.6%。
[0036]实施例3
[0037]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤I)中的LiNO3的质量为2.07g，浓度为1.0mol.dm_3。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为2.60g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为165.4mAhg'循环50次后放电容量为145.0mAh g_\比容量保有率为87.7%。
[0038]实施例4
[0039]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤I)中的锂盐是Li (CH3COO).2H20,质量为2.04g。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为1.80g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为168.0mAh g'循环50次后放电容量为151.0mAh g_\比容量保有率为89.9%。
[0040]实施例5
[0041]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤I)的二价锰盐为Mn (CH3COO)2.4Η20，质量为1.63g。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为1.70g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为163.0mAh g'循环50次后放电容量为154.5mAh g_\比容量保有率为94.8%。
[0042]实施例6
[0043]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤I)的Ni(NO3)2.6H20的质量为0.58g，Co (NO3)2.6Η20 的质量为 2.91g, 1.86mL Mn(NO3)2(50wt% )。所得 LiNiaiCoa5Mna4O2材料的质量约为1.60g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为160.5mAh g_S循环50次后放电容量为131.0mAh g_S比容量保有率为 81.6%。
[0044]实施例7
[0045]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤2)中的温度是120摄氏度，时间是12小时。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为1.70g。按照实施例1所述的测试方法数进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为168.3mAh g'循环50次后放电容量为152.9mAh g_S比容量保有率为90.8%。
[0046]实施例8
[0047]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤2)中的温度是60摄氏度，时间是72小时。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302 M料的质量约为1.75g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为165.0mAh g—1，循环50次后放电容量为155.4mAh g_S比容量保有率为94.2%。
[0048]实施例9
[0049]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤3)中的温度是150摄氏度，时间为4小时。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302 M料的质量约为1.73g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为169.0mAh g'循环50次后放电容量为158.0mAh g_S比容量保有率为93.5%。
[0050]实施例10
[0051]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤I)中的甲醛的体积是4.5mL,间苯二酚与甲醛的摩尔比为1:3。所得LiNil73Cov3Mnv3O2材料的质量约为1.70g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为164.7mAh g_1,循环50次后放电容量为156.0mAh g_\比容量保有率为94.7%。
[0052]实施例11
[0053]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤4)中的烧结温度是850摄氏度，烧结时间是6小时。所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为1.70g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为167.2mAh g—1，循环50次后放电容量为155.8mAh g_\比容量保有率为93.2%。
[0054]实施例12
[0055]步骤与实施例1中的步骤相同，区别在于步骤4)中的烧结温度是550摄氏度，烧结时间是24小时，所得LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的质量约为1.72g。按照实施例1所述的测试方法进行恒电流充放电性能测试，0.5C倍率下首次放电容量为158.7mAh g—1，循环50次后放电容量为132.5mAh g_\比容量保有率为83.5%。
[0056]以下对所得的LiNi1Z3Co1Z3Mn1Z3O2三元正极材料进行了结构和性质的表征(实施例1)。
[0057]图1是LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料的X射线衍射图，通过与标准卡片进行对照可以得出，所合成的活性材料LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料为纯相。
[0058]图2为LiNiv3Co1Z3Mn1Z3O2三元正极材料在0.5C充放电倍率下第1、10、20、30、40、50次的充放电曲线图。从图中可以得出，首次放电容量为175.6mAh g_S循环50次后放电容量仍然能够达到163.0mAh g_\比容量保有率为92.8%。
[0059]图3为LiNi1/3Co1/3Mn1/302三元正极材料在不同倍率下的性能图，充电倍率为0.5C，当放电倍率分别是0.5C，1C，2C，5C，10C，20C，30C和50C时，平均的放电容量分别为177.3，169.1，164.3，153.1，141.7，128.9，113.0 和 90.5mAh g'
[0060]图4是LiNiv3Co1Z3Mn1Z3O2三元正极材料在5C、10C、20C、30C和50C倍率下循环50次的循环性能图。从图中可以得出，在0.5C倍率下充电，5C、10C、20C、30C、50C放电倍率下循环50次后的放电容量分别是143.0,134.8，123.9，112.2和87.7mAh g_\容量保有率分别为 92.3%,94.6%,93.6%,91.9%和 92.0V0o
[0061]综上所述，本发明通过以碳凝胶为载体，制备了 LiNixCoyMnzO2三元电极材料，其中
0.1 X ^ 0.5,0.2 ^ y ^ 0.6,0.1 ^ Z ^ 0.5, x+y+z = I,该方法能够保证原料以分子级别的均匀混合，有利于降低合成反应温度和杂相的生成概率。合成过程中的碳凝胶能够阻止活性材料颗粒之间的接触生长，从而制的具有纳米尺寸的正极材料，增加了活性材料与电解液之间的接触面积及活性位点的数量，有助于提高材料的电化学性能。电化学测试结果表明，该材料具有高的比容量和循环稳定性能，适用于高倍率充放电需求。
[0062]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于其包括以下步骤: (a)将可溶性的锂盐、二价镍盐、二价钴盐和二价锰盐按摩尔比l:x:y:z的比例加入到去离子水和无水乙醇的混合溶液中，其中x+y+ζ = 1，搅拌均匀，待其完全溶解后再依次加入间苯二酚和甲醛，搅拌使其完全溶解； (b)将步骤(a)得到的溶液转移至反应釜中，密封后置于鼓风干燥箱中反应； (C)反应结束后，取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的前驱体从反应釜内取出，然后将上述前驱体置于鼓风干燥箱中干燥； (d)将步骤(C)得到的前驱体在空气气氛或者是氧气气氛下高温烧结，从而得到LiNixCoyMnzO2的三元正极材料,其中x+y+z = I。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(a)中，三元正极材料LiNixCoyMnzO2中x、y、z的取值范围为:0.1 彡 X 彡 0.5，0.2 彡 y 彡 0.6，0.1 彡 z 彡 0.5，且 x+y+z = I。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(a)中，锂盐为硝酸锂、醋酸锂、氯化锂、碳酸锂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(a)中，二价镍盐为硝酸镍、醋酸镍、氯化镍中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(a)中，二价钴盐为硝酸钴、醋酸钴、氯化钴中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(a)中，二价锰盐为硝酸锰、醋酸锰、氯化锰中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于: 在步骤(a)中，锂盐的浓度范围为0.3?1.0mol.dnT3 ； 去离子水和无水乙醇的体积比为1: (0.5?2.0)； 间苯二酚和甲醛的摩尔比为1: (I?3.0)。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(b)中，该反应的温度为60?120°C，该反应的时间为12?72小时。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三元正极材料LiNixCoyMnzO2的制备方法，其特征在于:在步骤(d)中，该高温烧结的温度为550?850°C，该高温烧结的时间为6?24小时。
【文档编号】H01M4/525GK104319370SQ201410512794
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】陈建, 赵娜, 王晓峰, 贾铁昆, 石冬梅, 付芳, 赵营刚, 王晓琳 申请人:洛阳理工学院