[发明专利]一种掺铝镍钴酸锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料掺铝镍钴酸锂的制备法。

背景技术

锂离子电池是新一代的绿色高能电池，具有工作电压高、能量密度大、循环性能好、自放电率低、无记忆效应等优点，在各种便携式电器、电动工具以及电动汽车领域有着良好的应用前景。发展高性能锂离子电池的关键技术之一是正极材料的研发。正极材料的性能在很大程度上影响着电池的性能，并直接决定着电池成本的高低。一般选用过渡金属氧化物为正极材料。一方面过渡金属存在混合价态，电子导电性比较理想，另一方面不易发生歧化反应。目前锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂三元材料以及磷酸亚铁锂等。

正极材料LiNiO₂以其较高的可逆容量和较低的价格开始受到重视，但是其制备条件苛刻，不易生成具有计量比的化合物，热稳定性差，而且在充放电时活性材料的结构变化带来比能量的衰减以及LiNiO₂过充时带来的安全性能问题限制了其实用化的进程。在LiNiO₂结构中掺入其它元素如Co、Al、Ti、Mg和Ga等可使其性能得到改善，但单一元素的掺杂往往不能满足要求，多元素共同掺杂的LiNiO₂才是最有希望的高效锂离子电池正极材料。LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂作为LiNiO₂的改进材料，不仅具有放电比容量高、耐过充性能好等优点，而且丰富的Ni资源使得该种材料的生产成本较LiCoO₂材料明显降低。

目前锂离子电池正极材料的合成方法有高温固相法、共沉淀法、化学溶液法、溶胶-凝胶法和熔盐法等。固相合成法操作简单，成本低廉，合成材料容量较高，当前工业化生产大多采用该法。与传统固相合成法相比，液相合成法可以制备出颗粒细、纯度高的粉体，产物形貌及粒度可调控，反应温度低，是当前研究的一个方向。本发明采用分步化学沉淀法制备前驱体，经过与锂源混合并烧结制备了掺铝镍钴锂正极材料。由于Al³⁺形成氢氧化物沉淀的性质与Ni²⁺、Co²⁺不同，增加了共沉淀法制备球形氢氧化物前驱体以合成球形正极材料的难度。与已公开的发明专利CN101262061A、CN102173465A、CN102074679A所公布的掺铝镍钴酸锂制备方法不同，本发明在制备前驱体时采用分步沉淀法，先生成镍钴氢氧化物沉淀，然后在其表面包覆氢氧化铝微粒。由于三价铝离子沉淀时容易形成絮状沉淀，采用分步沉淀的方法有效避免了镍、钴、铝离子同时存在时易形成胶态沉淀，形貌、粒度不易控制的缺点。本发明所涉及的制备方法简单、有效，制备过程易于控制，适于进行工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池正极材料掺铝镍钴酸锂的制备法。

本发明中的制备方法包含以下步骤：

一种掺铝镍钴酸锂前驱体的制备方法，包含以下步骤：

(1)类球形镍钴氢氧化物的制备：a)按摩尔比Ni²⁺∶Co²⁺＝0.8∶0.15配制浓度为1-2mol/L的镍、钴盐混合溶液，配制浓度为1-4mol/L的碱溶液，配制浓度为1-4mol/L的氨水；b)分别将配制好的三种溶液通过恒流泵同时加入反应釜中，溶液的进料速率为0.5-2ml/min，反应过程中控制体系pH在10-12之间，搅拌速率100-400rpm，反应温度40-60℃，反应时间4-12h；

(2)镍钴铝氢氧化物的制备：a)将步骤(1)所得镍钴氢氧化物洗涤后，与适量去离子水一同加入反应釜中；b)向反应釜中加入0.02-0.1mol/L的铝盐溶液，采用步骤(1)中的碱溶液调节体系pH在8-10，溶液的进料速率为0.5-2ml/min，搅拌速率100-400rpm，在室温下反应4-12h后结束；c)反应所得上述沉淀经洗涤、过滤后，于100-120℃烘箱中干燥即得到镍钴铝的氢氧化物前驱体；

(3)掺铝镍钴酸锂正极材料的制备：将步骤(2)所得氢氧化镍钴铝前驱体与锂源均匀混合，然后将其在一定气氛下于650-850℃烧结8-20小时，烧结物经破碎后即得到掺铝镍钴酸锂正极材料。

本发明中所述镍、钴、铝盐为各自硫酸盐、硝酸盐或氯化物。

本发明中所述碱溶液为氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液。

本发明中所述反应釜为带有搅拌、加热装置，容积为2-5L的三口烧瓶。