一種碳包覆三元正極材料的制備方法技術

本發明專利技術涉及鋰離子電池三元正極材料的制備，尤其是一種碳包覆三元正極材料的制備方法。其特點是，包括如下步驟：(1)將三元正極材料LiNixCoyMnzO2，加入到去離子水或有機溶劑中；(2)向所得混合液中加入占三元正極材料重量10％～30％的有機碳源，然后再加入占有機碳源重量0.5％～5％碳化催化劑；(3)將所得混合液通過噴霧干燥機噴霧造粒后得到有機碳包覆的錳酸鋰；(4)將所得錳酸鋰粉末加熱到300℃～450℃燒結0.5h～4h，然后冷卻即可。本發明專利技術的制備方法避免了高溫碳化將三元正極材料晶型的破壞。有效提高電極導電性、改善活性材料的表面、保護電極避免其直接接觸電解液，從而可得到更好的循環壽命。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及鋰離子電池三元正極材料的制備，尤其是。
技術介紹
在鋰離子電池中，正極材料是其最重要的組成部分，也是決定鋰離子電池性能的關鍵。在目前已產業化鋰離子電池正極材料為LiCo02，研究比較成熟，綜合性能優良，但價格昂貴，毒性較大，安全性能存在缺陷，尤其在過充條件下，材料不穩定，容易和電解液發生反應，應用領域受到較大影響；此外LiCoO2只 有一半鋰能夠可逆嵌脫，實際可逆容量為145mAh/g左右，限制鋰離子電池容量提高，不能滿足電動車電源等動力電源電池的需要，因此需尋找高性能低成本的新型材料。在鈷酸鋰替代材料中，三元正極材料鎳鈷錳氧化物體系具有成本低、比容量高、電壓平臺高、抗過沖性能好、熱穩定性優良等優點，而備受關注。研究表明該正極材料集中了LiCo02、LiMn204及LiNi02等材料的各自優點。因此三元正極材料的無論是通訊產品鋰離子電池,還是動力電池,都有極大的發展空間和潛力隨著人們對鋰離子電池電極材料的了解，人們發現其表面結構對其電化學性能有著很大的影響。由于碳材料卓越的導電性、超高的化學和電化學穩定性、獨特的物理屬性和廉價的成本，碳包覆成為鋰離子電池中應用最廣泛的方法之一。用碳包覆可以有效地提高電極導電性、改善活性材料的表面化學、保護電極避免其直接接觸電解液，從而可得到更好的循環壽命。碳包覆與納米技術相結合，可提供更好的導電性、更快的鋰離子擴散速度，從而得到更好的倍率性能。尤其是碳包覆磷酸鐵鋰促進了磷酸鐵鋰從實驗室走向工業化，因此，對正極材料的碳包覆的研究具有十分重要的意義。因為LiNixCOyMnz02合成條件在空氣或氧氣氣氛下，合成溫度高達900°C。因此傳統的通過有機碳分解的實現碳包覆的方法在三元正極材料很難實現首先碳包覆必須在惰性氣氛，與三元正極材料合成需要氧氣氣氛矛盾，其次，實現碳分解和石墨化溫度高達700°C 900°C，很容易將鎳、鈷、錳等金屬離子還原成單質。因此，目前的碳包覆僅采取干混料或者碳導電劑混槳的工藝。針對上述問題，根據在磷酸鐵鋰制備過程中豐富的碳包覆經驗，本專利技術創造性的通過選擇合理碳源，碳化化催化劑，在保護性氣氛下實現低溫三元正極材料的碳包覆。三元正極材料碳包覆后提高了電極材料的電子電導率，增強了離子在電極表面的傳遞速度，兩種協同作用使得含有少量碳的電極材料可以充放電完全，庫侖效率較高，循環過程中減小電極表面的極化。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供，能夠有效提高電極導電性并且得到更好的循環壽命。，其特別之處在于，包括如下步驟(I)將三元正極材料LiNixCoyMnzO2，其中0.3彡x彡1，0彡y彡0.5，0彡z彡0.5并且X+Y+Z=l，加入到去離子水或有機溶劑中，其中LiNixCoyMnzO2與去離子水或有機溶劑的重量比為1:1 3，均勻混合；(2)向所得混合液中加入占三元正極材料重量10% 30%的有機碳源，攪拌，均勻混合，然后再加入占有機碳源重量O. 5 % 5 %碳化催化劑，用乳化機攪拌至乳化狀態，均勻混合；(3)將所得混合液通過噴霧干燥機噴霧造粒后得到有機碳包覆的錳酸鋰，噴霧干燥進口溫度180 250°C，出口溫度為60 90°C ;(4)將所得錳酸鋰粉末裝入坩堝中，抽真空，通入惰性氣氛，保持惰性氣氛條件下加熱到300°C 450°C燒結O. 5h 4h，然后冷卻即可。 步驟(2)中有機碳源為蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇、間苯二酚和環精糊中的至少一種。步驟(2)中碳化催化劑為二茂鐵、二茂鎳、二茂鈷、二茂錳、二茂鋰、醋酸鎳、醋酸鉆和醋Ife猛中的一種或幾種。步驟(2)中有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮或氮甲基吡咯烷酮中的一種或幾種。步驟⑷中燒結在電爐或微波燒結爐內進行。步驟(4)中惰性氣氛為氮氣和氬氣中的一種或幾種。本專利技術的制備方法是，選擇低溫度熱解的有機碳，添加適當碳化催化劑，三元正極材料通過噴霧造粒方式，在三元正極材料表面均勻包覆一層有機碳，然后在惰性氣氛下，低溫350°C 500°C在催化劑的作用下，有機碳裂解成無機碳，包覆在三元正極材料表面。避免了高溫碳化將三元正極材料晶型的破壞，同時導致金屬的還原的析出。有效地提高電極導電性、改善活性材料的表面化學、保護電極避免其直接接觸電解液，從而可得到更好的循環壽命。附圖說明圖1是實施例1中三元正極材料碳包覆后樣品的XRD圖，碳含量分別為5%,可以看出樣品的結晶度聞，晶相較純，沒有破壞晶型；圖2是實施例1中合成樣品的透視SEM對比圖，為沒有包覆碳層的三元正極材料；圖3是實施例1中合成樣品的透視SEM對比圖，為包覆后的碳層和正極材料，可以看見明顯的碳膜。具體實施例方式本專利技術的制備方法通過合適有機碳，添加碳化催化劑，通過噴霧造粒在三元正極材料表面包覆一層均勻有機物，在保護性氣氛下350°C 500°C燒結O. 5h 4h得到均勻碳包覆的三元正極材料，通過XRD，XPS檢測，材料保持良好的層狀結構，碳含量在2% 10%之間。三元正極材料碳包覆后提高了電極材料的電子電導率，增強了離子在電極表面的傳遞速度，兩種協同作用使得三元正極材料可以充放電完全，庫侖效率較高，循環過程中減小電極表面的極化。創新性解決了 700°C 900°C高溫碳包覆容易導致金屬還原，低溫碳源難以碳化的矛盾。為了解決
技術介紹
中高溫碳包覆容易導致金屬還原，低溫碳源難以碳化的問題，本專利技術提供了一種碳包覆改性三元正極材料的新方法。通過將有機碳源、催化劑和三元正極材料在溶液中均勻混合分散，然后用噴霧造粒的方法進行碳包覆，在惰性氣氛350°C 500°C燒結O. 5h 4h，有機碳裂解成無機碳，包覆在三元正極材料表面，重量比為1% 10%。下面結合實施例對本專利技術做進一步詳細描述，下述實施例僅用于說明本專利技術，但并不用于限定本專利技術的實施范圍。實施例1:I)將LiNiv3Cov3Mn1Z3O2稱取IOOg加入到200ml去離子水中，磁力攪拌，均勻混合。·2)向所得混合液中加入占LiNiv3Ccv3Mrv3O2三元正極材料重量15%的聚乙烯醇15g,磁力攪拌,均勻混合。3)向所得混合液中加入占聚乙烯醇重量I %的二茂鐵O. 15g，用乳化機攪拌至乳化狀態，混合均勻。4)將所得混合液通過噴霧干燥機噴霧造粒后得到有機碳均勻包覆三元正極材料粉末。噴霧干燥參數設置為，進口溫度250°C，出口溫度為90°C。5)將所得粉末裝入坩堝中，置于管式電爐中，抽真空，通氮氣，將抽真空、通氮氣過程重復3遍，400°C加熱2h即得到碳包覆的三元正極材料。本專利技術通過上述實施例1的樣品的對比如圖2、3所示，圖2為三元正極材料，圖3為碳包覆的三元正極材料。實施例2 I)將LiNia5Coa2Mna3O2稱取150g加入到450g無水乙醇中，磁力攪拌,均勻混合。2)向所得混合液中加入占LiNia5Coa2Mna3O2三元正極材料重量10%的鹿糖15g,攪拌，均勻混合。3)向所得混合液中加入占蔗糖重量比為3%的二茂鈷O. 45g，磁力攪拌，用乳化機攪拌至乳化狀態，混合均勻。4)將所得混合液通過噴霧干燥機噴霧造粒后得到有機碳均勻包覆三元正極材料粉末。噴霧干燥參數設置為，進口溫度180°C，出口溫度為60°C，引風機速度設置為70%。5)所得粉末裝入坩堝中，置于管式電爐中，抽真空，通氮氣，將抽真空本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳包覆三元正極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將三元正極材料LiNixCoyMnzO2，其中0.3≤x≤1，0≤y≤0.5，0≤z≤0.5并且X+Y+Z=1，加入到去離子水或有機溶劑中，其中LiNixCoyMnzO2與去離子水或有機溶劑的重量比為1：1～3，均勻混合；(2)向所得混合液中加入占三元正極材料重量10％～30％的有機碳源，攪拌，均勻混合，然后再加入占有機碳源重量0.5％～5％碳化催化劑，用乳化機攪拌至乳化狀態，均勻混合；(3)將所得混合液通過噴霧干燥機噴霧造粒后得到有機碳包覆的錳酸鋰，噴霧干燥進口溫度180～250℃，出口溫度為60～90℃；(4)將所得錳酸鋰粉末裝入坩堝中，抽真空，通入惰性氣氛，保持惰性氣氛條件下加熱到300℃～450℃燒結0.5h～4h，然后冷卻即可。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉濤濤，
申請(專利權)人：彩虹集團公司，
類型：發明
國別省市：