包覆改性镍钴二元材料、其制备方法及其应用_2

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理后,具有较高的振实密度,有利于用于制备电池时,获得较好的性能。
[0034]本发明的另一方面还提供了一种上述包覆改性镍钴二元材料在锂离子电池中的应用。该材料作为锂离子电池的正极材料进行使用。该材料用于制备得到的锂离子电池首次充放电比容量可以达到190mAh/g以上,经200次循环容量保持率在90%以上。显然该材料的用途并不限于此。任何需要具有较好循环性能的器件中均可使用该此材料。
[0035]所用包覆方法可以为干式包覆、湿式包覆或共沉淀包覆法等常用的包覆方法。
[0036]优选的本发明另一方面还提供了上述包覆改性镍钴二元材料的制备方法,该方法包括以下步骤:将核心区材料与包覆层材料混合后经包覆烧结得到包覆改性镍钴二元材料;包覆烧结条件为在300?800°C下,烧结3?20小时,烧结过程中的通气量为2?20m3/小时。在此条件下进行烧结可以提高包覆层材料与核心区材料的相互渗透深度,有利于获得具有更好循环稳定性的改性镍钴二元材料。
[0037]优选的核心区材料按以下步骤制得:
[0038]a)按LiNixCoyO2化学计量比混合镍盐和钴盐得到镍钴混合液,将络合剂、镍钴混合液和碱液同时泵入纯水底液中,并持续通入惰性气体,进行共沉淀反应得到镍钴二元前驱体,其中x+y = I ;
[0039]在该条件下进行反应首先生成晶核,然后生长为所需要的球形材料,控制反应体系的上述条件,可以调控所得球形材料产品的D5Q。
[0040]优选的共沉淀反应条件为:30?85 °C下搅拌转速为300?800rpm,反应体系的pH值为10.0?12.0,气体通入量为0.5?3.0m3/小时;共沉淀反应溶液中总的金属离子浓度为0.5?3.5mol/Lo在此条件下进行共沉淀反应能提高所得前驱体的振实密度。
[0041]b)将镍钴二元前驱体与锂盐按Li元素的摩尔量:Ni和Co摩尔量总和的摩尔比为1:0.95?1.25混合后进行烧结后得到核心区材料。
[0042]核心烧结步骤的条件为在500?1200°C下,烧结5?40小时,烧结过程中通气量为2?30m3/小时。在此条件下进行烧结,能提高所得核心区材料的各项电化学性能,使其经过包覆后,能具有更好的电化学性能。
[0043]为了提高所得材料的电化学性能,优选包覆层所用材料的D50为0.01?5 μπι,该粒径下的包覆层材料渗入核心区材料中的深度和广度较高,形成稳定的浓度梯度区。
[0044]以下为具体指标过程,以上未详述部分参照以下内容确定。
[0045]Α、镲钴二元材料(LiNixCoyO2,其中x+y = I)的制备:
[0046]①在反应釜内以纯水为底液,加入络合剂和碱液调节底液pH值为10.0?12.0,并往反应釜内持续通入惰性保护气体,气体通入量为0.5?3.0m3/小时;
[0047]②镍钴二元前躯体的制备:将镍盐和钴盐溶解成混合水溶液,混合均匀后溶液中总的金属离子浓度控制在0.5?3.5mol/L之间,将络合液、碱液和镍钴混合水溶液一起连续并流泵入到反应釜内,30?85 °C下发生共沉淀反应,控制搅拌转速为300?800rpm,控制反应体系的pH值在10.0?12.0之间,并连续通入惰性气体,气体通入量为0.5?3.0m3/小时,反应后料液由反应釜的上部溢流口连续流出进入到陈化釜内,料液经离心机离心和真空干燥机干燥,得到球形镍钴二元前躯体一镍钴的化合物;
[0048]③混料:将②的球形镍钴的化合物和电池级锂源物质按照一定的比例混合均匀,混合方法为湿式混合或干式混合。其中Li: (Ni+Co)的摩尔比为0.95?1.25,混合设备不限定,如干混机或混料机等;
[0049]④烧结处理:经③处理后的物料进行烧结处理,烧结采取多段式不同温区烧结,烧结主温度控制在500?1200°C之间,主温区烧结时间为5?40小时,烧结过程中需通入的气体可以为空气或者氧气,通气量控制范围为2?30m3/小时,将烧结后的物料经破碎、粉碎、过筛、除铁等工艺处理,得到所需的镍钴二元;
[0050]B、包覆处理:将步骤A中的镲钴二元进行包覆,包覆材料为N物质(N1CopMnqM',其中o+p+q = I)和电池级锂源物质的混合物,其中,Li与N中所含金属元素摩尔数总和的摩尔比为0.95?1.25,包覆材料的总掺量为镍钴二元的0.01?20wt.% ;
[0051]C、烧结处理:经B处理后的物料进行烧结实验,烧结采取多段式不同温区烧结,烧结主温度控制在300?800°C之间,主温区烧结时间为3?20小时,烧结过程中需通入空气或者氧气,通气量控制范围为2?20m3/小时,将烧结后的物料经破碎、粉碎、过筛、除铁等工艺处理,得到所需的镍钴基二元锂离子电池正极材料。
[0052]步骤A中的镍源物质可以选自硫酸镍、氯化镍、硝酸镍的一种或者多种的混合物。
[0053]步骤A中的钴源物质可以选自硫酸钴、氯化钴、硝酸钴的一种或者多种的混合物。
[0054]步骤A中的络合剂可以选自氨水、氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、EDTA的一种或者多种的混合物。
[0055]步骤A中的碱液可以选自氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠的一种或者多种的混合物。
[0056]步骤A和B中的锂源物质可以为氢氧化锂、碳酸锂、草酸锂中的一种或多种的混合物。
[0057]步骤A中往反应体系内持续通入的惰性保护气体可以为氦气、氮气、氩气中的一种,作为优选,步骤A中往反应体系内持续通入的惰性保护气体一般选为氮气。
[0058]实施例
[0059]以下实施例中所用物料和仪器均为市售。以下包覆过程如有未详尽之处,请参考CN201410325663.0中实施例中的包覆步骤及其操作参数。
[0060]实施例1
[0061](I)以纯水作为底液,温度设定为50°C,控制搅拌转速为500rpm,加入15wt.%的硫酸钱溶液和30wt.%的氢氧化钠溶液调节反应釜内底液的酸度,pH值为11.5?11.6,反应体系内持续通入氮气,通入量为2.5m3/小时;
[0062](2)将硫酸镍和氯化钴按摩尔比4:1溶解成混合水溶液,混合后溶液中总的金属离子浓度为2.5mol/L ;
[0063](3)将30wt.%的氢氧化钠溶液、15wt.%的硫酸铵溶液和混合镍钴溶液一起连续并流泵入到反应釜内,控制反应液温度为50 °C,控制搅拌速度为500rpm,控制反应体系的pH 值为 11.5 ?11.6,
[0064](4)反应生成晶核,并生长为球形材料,反应后料液经反应釜上部的溢流口连续流进到陈化釜内,经过离心机离心和真空干燥箱干燥,得到球形镍钴氢氧化物。离心机离心洗涤后的水的pH值控制在7.2?8.2之间,真空干燥箱温度控制为90?100°C ;
[0065](5)将(4)中球形镍钴氢氧化物和电池级碳酸锂按照Li: (Ni+Co)的摩尔比为1:1.05进行配料,并在干混机内进行充分混合,然后将混合后物料进行烧结处理,烧结主温度为800°C,主温区的烧结时间为15小时,烧结过程中通入空气,空气的通气量为25m3/小时,将烧结后的物料经破碎、粉碎、过筛、除铁等工艺处理,得到所需的镍钴二元材料,其分子式为 LiNia8Coa2O2;
[0066](6)将步骤(5)中的物料进行干式包覆,所用的包覆物质为Nia6Mna2Coa2O和电池级碳酸锂的混合物,其中Li与金属元素N1、Co、Mn摩尔数总和的摩尔比为1.1,包覆材料的总掺量占镲钴二元的3.0wt.% ;
[0067](7)将步骤(6)包覆后的物料进行烧结实验,烧结主温度为600°C,主温区的烧结时间为10小时,烧结过程中通入空气,空气的通气量为15m3/小时,将烧结后的物料经破碎、粉碎、过筛、除铁等工艺处理,得到所需的镲钴基二元成品。
[0068]实施例2
[0069](I)以纯水作为底液,温度设定为70°C,控制搅拌转速为300rpm,加入5wt.%的EDTA溶液和1wt.%的碳酸钠溶液调节反应釜内底液的酸度,pH值为10.0?10.1,反应体系内持续通入氮气,通入量为2.0m3/小时;
[0070](2)将硫酸镍和硫酸钴按摩尔比7:3溶解成混合水溶液,混合后溶液中总的金属离子浓度为2.0moI/L ;
[0071 ] (3)将1wt.%的碳酸钠溶液、5wt.%的EDTA溶液和混合镍钴溶液一起连续并流泵入到反应釜内,控制反应液温度为70°C,控制搅拌速度为300rpm,控制反应体系的pH值为 10.0 ?10.1,
[0072](4)反应生成晶核,并生长为球形材料,反应后料液经反应釜上部的溢流口连续流进到陈化釜内,经过离心机离心和真空干燥箱干燥,得到球形镍钴碳酸化物。离心机离心洗涤后的水的pH值控制在7.2?8.2之间,真空干燥箱温度控制为90?100°C ;
[0073](5)将(4)中球形镍钴碳酸化物和电池级碳酸锂按照Li: (Ni+Co)的摩尔比为1:1.02
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