[0028] 进一步地,搅拌时长1~30min。
[0029] 本发明提供了一种锂离子电池正极材料,该正极材料是在高镍正极基体的表面包裹上一层活性包覆物。本发明还提供了一种锂离子电池正极材料的制备方法,高镍正极基体表面含有较多的残锂(氢氧化锂和碳酸锂),将高镍正极基体加入到金属盐和氟源的水溶液中之后,
金属离子与残锂反应生成相应的不溶性碳酸盐和氢氧化物附着在高镍正极基体的表面上,氟源会与残锂反应生成不溶性的氟化锂附着在高镍正极基体的表面上,如果残锂的量无法使金属离子和氟源完全反应,可适量补加一些氢氧化锂;过滤后,去离子水会洗去高镍正极基体表面绝大部分的残锂,同时表面仍附着一层包覆物质(金属的碳酸盐、氢氧化物以及氟化锂);与锂源混合后进行二次烧结,高镍正极基体表面附着的包覆物质和锂源进行反应,生成一层活性包覆物,从而得到所述锂离子电池正极材料。
[0030] 该制备方法由于使用了可溶性的金属盐,在制备过程中能够将活性包覆物渗入到高镍正极基体的内部孔隙中,而不仅仅局限于表面,实现了全方位均匀并且完整的包覆,有利于高镍正极基体循环性能、存储性能和安全性能的提升。在该包覆方法的水洗过程中,由于在高镍正极基体表面附着了一层包覆物质,能够有效避免水洗过程对高镍正极基体表面结构的破坏。利用该包覆方法,不仅局限于文中所述的几种活性包覆层,也可以是偏
铝酸锂、
钛酸锂、锆酸锂、磷酸锂、
硼酸锂、镧酸锂等多种含锂氧化物。
[0031] 该正极材料结合了高镍正极基体和活性包覆物二者的优势,还对高镍正极基体形成了F、金属元素的表面微掺杂,同时对高镍正极基体进行了内部孔隙和表面的同时包覆,从而产生了增强的协同效应。本发明的正极材料的优点如下:
[0032] (1)本发明以水洗的同时形成包覆物质为方法,不仅能够有效除去高镍正极基体表面的残锂如氢氧化锂和碳酸锂,而且能够在高镍正极基体上形成非常均匀且完整的包覆层,从而提升了了材料的存储性能和安全性能,有利于循环寿命的改善。
[0033] (2)本发明在有效去除高镍正极基体表面残锂的同时,形成了具有很高电化学活性的包覆层,该活性包覆物不仅具有高电子电导和高锂离子扩散速率,包覆后也为高镍正极基体提供了富裕的变价离子,从而使更多的活性锂进行脱出和嵌入,提高了材料的倍率性能、库伦效率和充放电容量。
[0034] (3)本发明中形成的活性包覆物中掺杂了元素氟,同时在制备过程中也对高镍正极基体形成了F、金属元素的表面微掺杂,F的存在可以增强金属离子和氧离子组成的晶格结构稳定性,还能够降低电荷转移
电阻,提高
导电性,增强的协同效应使得材料在高倍率下的容量和循环性能有一定的提升。
附图说明
[0035] 图1是
实施例1中改进前样品的SEM图像。
[0036] 图2是实施例1中水洗抽滤干燥样品的SEM图像。
[0037] 图3是实施例1中改进后样品的SEM图像。
具体实施方式
[0038] 为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合所附图作详细说明如下。
[0039] 下述实施例采用本发明提出的方法来制备本发明提出的锂离子电池正极材料,具体如下:
[0040] 实施例1
[0041] 高镍正极基体选用中值粒径为10μm左右的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2团聚体,即为改进前样品,如图1所示。
[0042] 将0.1mol硝酸钴、0.002mol氢氟酸加入到150g的15℃去离子水中溶解,将1mol的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2加入到上述溶液中,搅拌10min,过滤后,将滤饼在150℃烘箱中烘干,即为水洗抽滤干燥样品,如图2所示。将水洗抽滤干燥得到的样品与0.1mol氢氧化锂球磨混合均匀,于氧气中800℃
煅烧6h后,得到LiCoO1.99F0.02包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料,其中活性包覆物在正极材料中的质量分数约为9%。如图3所示,为改进后样品形貌,样品表面能够观察到一层均匀的活性包覆物。本实施例中,去离子水与所述高镍正极基体的质量比c为1.5。
[0043] 将改进前和改进后的材料制作成极片作为工作
电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,
电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试100周循环容量保持率。
[0044] 表1实施例1改进前后样品表层残锂
[0045] LiOH% Li2CO3%
改进前 0.547 0.424
改进后 0.051 0.043
[0046] 由上表可见,改进后样品表层的残锂含量明显降低。
[0047] 实施例2
[0048] 仿照实施例1,只是不加入氢氟酸,得到的正极材料中活性包覆物的化学式为LiCoO2。将得到的正极材料作为
工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围
2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0049] 实施例3
[0050] 仿照实施例1,只是将加入氢氟酸的量换为0.01mol,得到的正极材料中活性包覆物的化学式为LiCoO1.95F0.1。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0051] 实施例4~5
[0052] 仿照实施例1,只是将加入氢氧化锂的量分别换为0.05mol、0.12mol,得到的正极材料中活性包覆物的化学式分别为Li0.5CoO1.99F0.02、Li1.2CoO1.99F0.02。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0053] 实施例6
[0054] 仿照实施例1,只是将高镍正极基体LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2团聚体的中值粒径换为20μm。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0055] 实施例7~8
[0056] 仿照实施例1,只是将高镍正极基体LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2团聚体分别替换为相当量的单晶、团聚体与单晶混合物。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0057] 实施例9~12
[0058] 仿照实施例1,只是将高镍正极基体LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2依次分别替换为相当量的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、LiNi0.88Co0.09Al0.03O2,其中值粒径均在10μm左右。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0059] 实施例13
[0060] 仿照实施例1,只是将高镍正极基体LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2替换为LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2和LiNi0.80Co0.15Al0.05O2按2:1进行混合的材料,该混合材料的总量为1mol,其中值粒径均在10μm左右。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0061] 实施例14
[0062] 仿照实施例1,只是将硝酸钴替换为相当量的硝酸镍,得到的正极材料中活性包覆物的化学式为LiNiO1.99F0.02。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0063] 实施例15
[0064] 仿照实施例1,只是将0.1mol硝酸钴替换为0.2mol硝酸锰,得到的正极材料中活性包覆物的化学式为LiMn2O3.99F0.02。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0065] 实施例16
[0066] 仿照实施例1,只是将0.1mol硝酸钴替换为0.05mol硝酸镍和0.15mol硝酸锰,得到的正极材料中活性包覆物的化学式为LiNi0.5Mn1.5O3.99F0.02。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0067] 实施例17
[0068] 仿照实施例1,只是将加入硝酸钴、氢氟酸、氢氧化锂的量分别换为0.001、0.00002、0.001mol,得到的活性包覆物在正极材料中的质量分数约为0.1%。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/
0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0069] 实施例18
[0070] 仿照实施例1,只是将加入硝酸钴、氢氟酸、氢氧化锂的量分别换为0.424、0.0086、0.424mol,得到的活性包覆物在正极材料中的质量分数约为30%。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0071] 实施例19~22
[0072] 仿照实施例1,只是将氢氧化锂分别换为相当量的碳酸锂、醋酸锂、硫酸锂、硝酸锂。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0073] 实施例23
[0074] 仿照实施例1,只是将氢氧化锂换为氢氧化锂和醋酸锂按1:1进行混合的锂源,锂源的加入量保持不变。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0075] 实施例24~27
[0076] 仿照实施例1,只是将硝酸钴分别换为相当量的硫酸钴、醋酸钴、氯化钴、高氯酸钴。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0077] 实施例28
[0078] 仿照实施例1,只是将硝酸钴换为醋酸钴和硫酸钴按1:1进行混合的钴盐,钴盐的加入量保持不变。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0079] 实施例29~32
[0080] 仿照实施例14,只是将硝酸镍分别换为相当量的硫酸镍、醋酸镍、氯化镍、高氯酸镍。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0081] 实施例33
[0082] 仿照实施例14,只是将硝酸镍换为醋酸镍和硫酸镍按1:1进行混合的镍盐,镍盐的加入量保持不变。将得到的正极作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0083] 实施例34~37
[0084] 仿照实施例15,只是将硝酸锰分别换为相当量的硫酸锰、醋酸锰、氯化锰、高氯酸锰。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0085] 实施例38
[0086] 仿照实施例15,只是将硝酸锰换为醋酸锰和硫酸锰按1:1进行混合的锰盐,锰盐的加入量保持不变。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0087] 实施例39
[0088] 仿照实施例1,只是将氢氟酸换为相当量的氟乙酸,将氢氧化锂的加入量换为0.082mol。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0089] 实施例40
[0090] 仿照实施例1,只是将氢氟酸换为相当量的纳米氟化锂,将氢氧化锂的加入量换为0.098mol。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0091] 实施例41
[0092] 仿照实施例1,只是将氢氟酸换为氢氟酸和氟乙酸按1:1进行混合的氟源,氟源的加入量保持不变。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0093] 实施例42~43
[0094] 照实施例1,只是将去15℃的去离子水分别替换为0℃、50℃。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0095] 实施例44~45
[0096] 照实施例1,只是将150g去离子水分别替换为10g、1000g。实施例中,去离子水与所述高镍正极基体的质量比c分别为0.1、10。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0097] 实施例46~47
[0098] 仿照实施例1,只是将烘干温度分别调整为100℃和200℃。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0099] 实施例48~49
[0100] 仿照实施例1,只是将煅烧温度分别调整为500℃和1000℃。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0101] 实施例50~51
[0102] 仿照实施例1,只是将煅烧时间分别调整为1h和15h。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0103] 实施例52~53
[0104] 仿照实施例1,只是将搅拌时长分别调整为1min和30min。将得到的正极材料作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0105] 为充分说明本发明的正极材料及其制备方法的进步性,以下列举多个对比例:
[0106] 对比例1~8
[0107] 使用高镍正极基体LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2团聚体、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2团聚体、LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2团聚体、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2团聚体、LiNi0.88Co0.09Al0.03O2团聚体、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2单晶、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2团聚体和单晶混合物、团聚体LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2:团聚体LiNi0.80Co0.15Al0.05O2=2:1混合材料作为对比例1~8,其中值粒径均在10μm左右。将高镍正极基体作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0108] 对比例9
[0109] 使用中值粒径20μm左右的高镍正极基体LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2团聚体作为对比例9。将高镍正极基体作为工作电极组装成半电池,对电池进行充放电测试,电压范围2.8~
4.25V,0.1C/0.1C下测试首周充放电曲线,1C/1C下测试循环容量保持率。
[0110] 上述实施例和对比例的电化学循环结果见表2,其中,充/放电比容量=充/放电容量/复合电极材料质量:
[0111] 表2电化学循环数据
[0112]
[0113]
[0114] 由上表可见,由本发明提供的方法制备的所要保护的锂离子电池正极材料,其所制成的电池在充放电比容量、库伦效率以及容量保持率上,都要好于对比例中所采用现有技术制备的正极材料,取得了更好的效果。原因在于,按照本发明中的技术方案进行改进后的材料可以有效去除材料表面电子绝缘性的氢氧化锂和碳酸锂,同时在高镍正极基体上均匀包覆一层具有电化学活性的活性包覆物,两者的协同作用进一步改善了材料的稳定性和电荷转移特性,从而提升了容量和库伦效率,循环性能也有一定的改善。
[0115] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,本发明的保护范围应以
权利要求书所述为准。