一種微波制備鎳基三元正極材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微波合成、干燥及燒結(jié)制備三元正極材料的方法。其特點(diǎn)包括以下步驟：(1)按比例配制三元鎳、鈷、錳鹽和碳酸鹽水-醇系混合液；(2)將碳酸鹽溶液同三元混合液混合，并微波加熱攪拌；(3)共沉淀物過濾、洗滌，真空干燥；(4)干燥后的共沉淀物配鋰鹽混合研磨，置于箱式電阻爐或微波燒結(jié)爐中高溫固相反應(yīng)，得到本發(fā)明所述的一種層狀結(jié)構(gòu)LiNixCoyMn1-x-yO2（x=0.5,y=0.2或0.3）正極材料。本發(fā)明利用碳酸根與鎳鈷錳三元共沉淀，微波合成、燒結(jié)的方法制備得到的三元正極材料，首次充放電效率超過91%，0.5C放電容量達(dá)155mAh/g以上，循環(huán)性能良好。
【專利說明】一種微波制備鎳基三元正極材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種微波合成、干燥及燒結(jié)制備鎳基LiNixCoyMn1^yO2 (X=0.5，Y=0.2 或 0.3)三元正極材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池具有體積小、質(zhì)量輕、電壓高、比容量高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、自放電小及污染小的優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代以來，商業(yè)化的鋰離子電池廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等便攜式產(chǎn)品領(lǐng)域及醫(yī)療器械、汽車、航天領(lǐng)域。近年來，隨著電子產(chǎn)品價(jià)格的普遍降低，鋰離子電池用量急劇增加，目前，我國是世界鋰電池最大生產(chǎn)、消耗及出口國。 [0003]鎳鈷錳酸鋰作為一種新型電池材料，是現(xiàn)今鋰離子電池領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)。該三元材料綜合了 LiNi02、LiMnO2和LiCoO2的優(yōu)點(diǎn):循環(huán)使用壽命長、安全性好、成本低、容量高。目前商業(yè)化的三元材料有三種，分別是LiNi1/3Co1/3Mn1/302、LiNia4Coa2Mna4C^PLiNia5Coa2Mna3O2,即 333，424 和 523，其中 LiNil73Col73Mnl73O2 應(yīng)用的最多。近年來，隨著金屬鈷價(jià)的不斷上漲，國內(nèi)企業(yè)紛紛使用鎳鈷錳三元材料替代部份鈷鋰，價(jià)格低廉而性能優(yōu)越的三元材料會(huì)進(jìn)一步體現(xiàn)出競爭優(yōu)勢，搶占更多市場份額。
[0004]目前使用的三元正極材料實(shí)際比容量較低，首次效率、循環(huán)性能、導(dǎo)電性及倍率性能都有提升的空間。對于三元材料前驅(qū)體的制備方法研究較多的是氫氧化物共沉淀法，但該工藝仍存在一定的不足:
(1)鎳、鈷、錳完全沉淀的pH區(qū)間不同，其共沉淀需絡(luò)合劑，研究較多的絡(luò)合劑氨水雖有一定的絡(luò)合能力，但對環(huán)境污染較大；絡(luò)合劑對鎳、鈷、錳絡(luò)合能力不同，不能隨意更改混合物比例，導(dǎo)致材料可調(diào)節(jié)性差；
(2)鎳、鈷、錳氫氧化物沉淀吸濕性強(qiáng)，對前驅(qū)體材料性能有較大的影響；另外實(shí)際生產(chǎn)中氫氧化物沉淀容易被氧化且氧化程度不均勻，不利于后續(xù)材料合成工藝，影響三元材料的性能指標(biāo)，在工業(yè)生產(chǎn)中，該方法最大的缺陷就是生產(chǎn)出團(tuán)聚的二次顆粒，電極加工性能很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有三元正極材料制備的不足，本發(fā)明提供一種微波合成、干燥及燒結(jié)制備鎳基LiNixCoyMnnyO2 (X=0.5，Y=0.2或0.3)三元正極材料的方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種微波合成、干燥及燒結(jié)制備鎳基LiNixCoyMnnyO2 (X=0.5，Y=0.2或0.3)三元正極材料的方法，包括三元混合料液的配制、可溶性鹽料液的配制、共沉反應(yīng)、過濾及烘干、配鋰及高溫固相反應(yīng)，具體步驟如下:
步驟I三元混合料液的配制:將硫酸鎳、硝酸鎳、氯化鎳中的至少一種鎳鹽，硫酸鈷、硝酸鈷、氯化鈷中的至少一種鈷鹽，硫酸錳、硝酸錳、氯化錳中的至少一種錳鹽按N1:Co:Mn物質(zhì)的量比5:3:2或5:2:3混合，加入去離子水與醇類的混合液并攪拌溶解，溶液中金屬離子濃度為一定量，混合液中無水乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇中的至少一種醇類的體積占混合液的0%~20% ；
步驟2可溶 性鹽料液的配制:將可溶性鹽溶于去離子水與醇類的混合液，加熱完全溶解即可，溶液中可溶性鹽濃度為一定量，混合液中無水乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇中的至少一種醇類的體積占混合液的0%~20% ；
步驟3共沉反應(yīng):將步驟2中待加熱的可溶性鹽完全溶解后，將其與步驟I中的三元混合料液迅速混合，微波加熱40~90°C并攪拌5~120分鐘；
步驟4過濾及烘干:將上述共沉淀反應(yīng)混合物陳化后，進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌至檢測洗滌濾液中不含Cl—或SO/—即可，將過濾物置于真空或微波干燥爐中，60°C~90°C中，真空度I X 10_5pa，干燥Ih~12h ；
步驟5配鋰及高溫固相反應(yīng):將上述烘干物即前驅(qū)體配入碳酸鋰、氫氧化鋰、乙酸鋰、草酸鋰中的至少一種鋰鹽混合研磨，配鋰量為L1: (Ni+Co+Mn)摩爾比為I~1.2，將研磨混合物置于箱式電阻爐或微波燒結(jié)爐空氣或氧氣氣氛中進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，加熱升溫到400°C~600°C下保溫0.5h~12h，再升溫到750°C~1000°C，固相燒結(jié)IOmin~24h，最后冷卻到室溫，得到本發(fā)明所述的一種鎳基層狀結(jié)構(gòu)LiNixCoyMnnyO2三元正極材料；
其特征在于:
所述的可溶性鹽為碳酸銨、碳酸鈉、碳酸鉀中的至少一種碳酸鹽；
所述的步驟I三元混合料液的制備中的溶液中金屬離子濃度為0.5mol/L~2mol/L ；所述的步驟2可溶性鹽料液的制備中溶液中可溶性鹽濃度是，碳酸鹽濃度為0.5~2mol/L。
[0007]本發(fā)明的有益效果在于:(I)本發(fā)明采用可溶性碳酸鹽與鎳鈷錳微波反應(yīng)共沉淀法制備三元材料，利用部分碳酸鹽的易溶性，微波加熱的均勻性，能將鎳鈷錳按比例達(dá)到完全沉淀，前軀體穩(wěn)定，不容易被氧化；本發(fā)明共沉淀后不需水熱反應(yīng)，縮短了工藝流程，降低能耗；本發(fā)明采用碳酸鹽溶液與三元鎳鈷錳鹽混合液迅速混合，并加強(qiáng)攪拌力度，在微波加熱下使反應(yīng)物充分快速的反應(yīng)，形成適宜粒度分布正極材料前軀體，進(jìn)而可微波燒結(jié)制備性能優(yōu)異的三元正極材料；(2)本發(fā)明在共沉淀過程中反應(yīng)溫度、混合攪拌力度、加料速度等對制備的三元正極材料的形貌、粒度分布、電化學(xué)性能、充放電容量等會(huì)產(chǎn)生顯著影響；
(3)本發(fā)明前驅(qū)體采用微波合成及真空干燥，前軀體無需球磨混合，正極材料制備采用電阻爐或微波燒結(jié)，本發(fā)明能耗低、生產(chǎn)周期短。
[0008]利用碳酸根離子與鎳鈷錳三元共沉淀及微波合成煅燒材料顆粒均勻性，制備得到的三元材料首次充放電效率超過91%，0.5C放電容量達(dá)155mAh/g以上，循環(huán)性能良好。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明施例如下但并不限定本發(fā)明。
[0010]實(shí)施例1
(I)將 0.(MmolNiSO4.6H20、0.024molCoS04.7Η20、0.016molMnS04.H2O 溶于 80ml 的去
離子水與異丙醇的混合液，其中異丙醇占混合液體積的10%。室溫下攪拌至全部溶解配制成lmol/L的三元混合溶液，溶解后N1: CoiMn物質(zhì)的量比為5:3:2。
[0011](2)將0.088mol的(NH4)2CO3溶于160ml的去離子水與異丙醇的混合液中，其中異丙醇占混合液體積的10%。30°C下進(jìn)行攪拌至全部溶解配制成0.55mol/L的碳酸銨溶液，盛放碳酸銨溶液的容器密閉，減少水的蒸發(fā)量。
[0012](3)待上述加熱的碳酸銨溶液完全溶解后，將其迅速倒入三元混合料液中，微波加熱60°C并攪拌40分鐘。
[0013](4)將上述共沉淀反應(yīng)混合物陳化5分鐘后，進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌，BaCl2檢測至洗滌濾液中不含SO/—即可，將過濾物至于微波真空干燥爐中，真空度I X l(T5pa，60°C 中干燥 12h。
[0014](5)將上述烘干物即前驅(qū)體配入0.048mol的Li2CO3混合研磨，配鋰量L1:(Ni+Co+Mn)摩爾比為1.2，將研磨混合物7MPa壓實(shí)后，置于箱式電阻爐中空氣氣氛下進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，先升溫到460°C，460°C固相燒結(jié)6小時(shí)，再升溫到880°C，880°C固相燒結(jié)12小時(shí)，最后冷卻到室溫，得到本發(fā)明所述的其中一種鎳基LiNia5Co0.3Mn0.202三元正極材料。
[0015]實(shí)施例2
(I)將 0.06molNi (NO3)2.6Η20、0.036molCo (NO3)2.6Η20、0.048mo IMn (NO3) 2 (50% 溶液)溶于60ml的去離子水與無水乙醇的混合液中，其中無水乙醇占混合液體積的20%。室溫下攪拌至全部溶解配制成2mol/L的三元混合溶液，溶解后N1:Co:Mn物質(zhì)的量比為5:3:2。
[0016](2)將0.132mol的Na2CO3溶于180 ml的去離子水與無水乙醇的混合液中，其中無水乙醇占混合液體積的20%，40°C加熱攪拌至全部溶解配制成約0.7mol/L的碳酸鈉溶液，盛放碳酸鈉溶液的容器密閉，減少水的蒸發(fā)量。
[0017](3)待上述加熱的 碳酸鈉溶液完全溶解后，將三元混合料液迅速倒入碳酸鈉溶液中，微波加熱40°C并攪拌120分鐘。
[0018](4)將上述共沉淀反應(yīng)混合物陳化10分鐘后，進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌至pH值為中性，將過濾物至于微波真空干燥爐中，真空度I X 10_5pa，85°C中干燥8h。
[0019](5)將上述烘干物即前驅(qū)體配入LiOH為0.13mol混合研磨，配鋰量L1: (Ni+Co+Mn)摩爾比為1.1，將研磨混合物置于箱式電阻爐中氧氣氣氛下進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，先升溫到400°C，400°C固相燒結(jié)12小時(shí)，再升溫到750°C，750°C固相燒結(jié)24小時(shí)，最后冷卻到室溫，得到本發(fā)明所述的其中一種鎳基LiNia5Coa3Mna2O2三元正極材料。
[0020]實(shí)施例3
(I)將 0.05molNiCl2.6Η20、0.03molCoCl2.6Η20、0.02molMnCl2.4Η20 溶于 200ml 的去離子水與乙二醇的混合液中，其中乙二醇占混合液體積的5%。室溫下攪拌至全部溶解配制成0.5mol/L的三元混合溶液，溶解后N1:CoiMn物質(zhì)的量比為5:3:2。
[0021](2)將0.1lmol的(NH4)2CO3溶于55ml的去離子水與乙二醇的混合液中，其中乙二醇占混合液體積的5%，40°C下攪拌至全部溶解配制成2mol/L的碳酸銨溶液，盛放碳酸銨溶液的容器密閉，減少水蒸發(fā)量。
[0022](3)待上述加熱的碳酸鉀溶液完全溶解后，將其迅速倒入三元混合料液中，微波加熱70°C并攪拌10分鐘。
[0023](4)將上述共沉淀反應(yīng)混合物陳化10分鐘后，進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌pH值為中性，AgNO3檢測至洗滌濾液中不含CF即可，將過濾物至于微波真空干燥爐中，真空度lXl(T5pa，90°C中干燥 lh。
[0024](5)將上述烘干物即前驅(qū)體配入CH3COOLi.2Η20為0.12mol混合研磨，配鋰量L1:(Ni+Co+Mn)摩爾比為1.2，將研磨混合物置于微波燒結(jié)爐中氧氣氣氛下進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，先升溫到600°C，600°C固相燒結(jié)0.5小時(shí)，再升溫到1000°C，1000°C固相燒結(jié)10分鐘，最后冷卻到室溫，得到本發(fā)明所述的其中一種鎳基LiNia5Coa3Mna2O2三元正極材料。
[0025]實(shí)施例4
(I)將 0.08molNiS04.6Η20、0.032molCoS04.7Η20、0.048moIMnSO4.H2O 溶于 IlOml 的去離子水中。室溫下攪拌至全部溶解配制成1.45mol/L的三元混合溶液，溶解后N1:Co:Mn物質(zhì)的量比為5:2:3。
[0026](2)將0.176mol的K2CO3溶于IlOml的去離子水中，50°C下攪拌至全部溶解配制成1.6mol/L的碳酸鉀溶液，盛放碳酸鉀溶液的容器密閉，減少水的蒸發(fā)量。
[0027](3)待上述加熱的碳酸鉀溶液完全溶解后，將三元混合料液迅速倒入碳酸鉀溶液中，微波加熱90°C并攪拌5分鐘。
[0028](4)將上述共沉淀反應(yīng)混合物陳化5分鐘后，進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌pH值為中性，BaCl2檢測至洗滌濾液中不含SO/—即可，將過濾物至于真空干燥箱中，真空度I X 10 5pa, 80°C干燥 6h。
[0029](5)將上述烘干物即前驅(qū)體配入LiHC2O4為0.16mol混合研磨，配鋰量L1:(Ni+Co+Mn)摩爾比為1，將研磨混合物SMPa壓實(shí)后，置于箱式電阻爐中氧氣氣氛下進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，先升溫到430°C，430°C固相燒結(jié)10小時(shí)，再升溫到920°C，920°C固相燒結(jié)10小時(shí)，最后冷卻到室溫，得到本發(fā)明所述的其中一種鎳基LiNia5Co0.2Mn0.302三元正極材料。
【權(quán)利要求】
1.一種微波合成、干燥及燒結(jié)制備鎳基LiNixCoyMn1IyO2 (X=0.5，Y=0.2或0.3)三元正極材料的方法，包括三元混合料液的配制、可溶性鹽料液的配制、共沉反應(yīng)、過濾及烘干、配鋰及高溫固相反應(yīng)，具體步驟如下: 步驟I三元混合料液的配制:將硫酸鎳、硝酸鎳、氯化鎳中的至少一種鎳鹽，硫酸鈷、硝酸鈷、氯化鈷中的至少一種鈷鹽，硫酸錳、硝酸錳、氯化錳中的至少一種錳鹽按N1:Co:Mn物質(zhì)的量比5:3:2或5:2:3混合，加入去離子水與醇類的混合液并攪拌溶解，溶液中金屬離子濃度為一定量，混合液中無水乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇中的至少一種醇類的體積占混合液的0%?20% ； 步驟2可溶性鹽料液的配制:將可溶性鹽溶于去離子水與醇類的混合液，加熱完全溶解即可，溶液中可溶性鹽濃度為一定量，混合液中無水乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇中的至少一種醇類的體積占混合液的0%?20% ； 步驟3共沉反應(yīng):將步驟2中待加熱的可溶性鹽完全溶解后，將其與步驟I中的三元混合料液迅速混合，微波加熱40?90°C并攪拌5?120分鐘； 步驟4過濾及烘干:將上述共沉淀反應(yīng)混合物陳化后，進(jìn)行固液分離，用去離子水洗滌至檢測洗滌濾液中不含Cl—或SO/—即可，將過濾物置于真空或微波干燥爐中，60°C?90°C中，真空度I X 10_5pa，干燥Ih?12h ； 步驟5配鋰及高溫固相反應(yīng):將上述烘干物即前驅(qū)體配入碳酸鋰、氫氧化鋰、乙酸鋰、草酸鋰中的至少一種鋰鹽混合研磨，配鋰量為L1: (Ni+Co+Mn)摩爾比為I?1.2，將研磨混合物置于箱式電阻爐或微波燒結(jié)爐空氣或氧氣氣氛中進(jìn)行高溫固相反應(yīng)，加熱升溫到400°C?600°C下保溫0.5h?12h，再升溫到750°C?1000°C，固相燒結(jié)IOmin?24h，最后冷卻到室溫，得到本發(fā)明所述的一種鎳基層狀結(jié)構(gòu)LiNixCoyMnnyO2三元正極材料； 其特征在于: 所述的可溶性鹽為碳酸銨、碳酸鈉、碳酸鉀中的至少一種碳酸鹽； 所述的步驟I三元混合料液的制備中的溶液中金屬離子濃度為0.5mol/L?2mol/L ；所述的步驟2可溶性鹽料液的制備中溶液中可溶性鹽濃度是，碳酸鹽濃度為0.5mol/L ?2mol/L。
【文檔編號】H01M4/525GK103972492SQ201410125187
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】姚文俐, 盧博 申請人:江西省鎢與稀土產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（江西省鎢與稀土研究院）