[发明专利]一种镍钴锰锂离子电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍钴锰锂离子电极材料的制备方法，属于新能源技术领域。

背景技术

过渡金属氢氧化物和氧化物纳米晶体由于它们在能源领域、催化剂领域，气体探测领域和磁学领域的潜在应用而受到广泛关注。尤其在新能源领域，镍钴等氢氧化物可以作为碱性二次电池优秀的电极材料；镍钴锰等氢氧化物同样可以作为替代电极应用于超级电容器；此外，镍钴锰锂离子电极材料可以用于制备锂离子电池正极材料LiNi_xCo_yMn_zO₂。

在锂离子电池领域，镍钴锰三元正极材料镍钴锰酸锂是具有Ni、Co、Mn三元协同效应的高性能锂离子电池正极材料，具有比容量大、循环性能好和工作电压高、热力学稳定性高、安全性好等优点，易于实现工业化，是一种极具市场潜力的新型正极材料。随着锂离子电池在动力电池方向的应用，对电池的倍率性能提出了更高要求。而解决这个问题最简便一种方法就是合成纳米化晶体前驱体。

目前主要的合成纳米片方法主要有共沉淀法，水热法等。普通沉淀法合成的颗粒较厚，不能形成单晶纳米片。采用水热法虽然能形成形貌极好的单晶纳米片，但其工艺成本较高。本发明采用一种控制结晶沉淀法，在超声波辅助下，合成出镍钴锰锂离子电极材料单晶纳米片。

现有电极材料制得的电池在循环过程中会存在不可逆的容量衰减，尤其在大倍率循环过程中容量衰减更为严重。为了解决容量衰减，提高其电化学性能，合成具有纳米结构的电极材料是最有效的一种方法。在锂离子电池中，正极材料的形貌主要继承了其前驱体的形貌，所以合成纳米结构的前驱体至关重要。

发明内容

本发明提出一种镍钴锰锂离子电极材料的制备方法，通过加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮-K30，在超声波辅助下，使用控制结晶沉淀法合成镍钴锰锂离子电极材料，具体包括以下步骤：

（1）按4-10g/L的比例将聚乙烯吡咯烷酮-K30溶于蒸馏水中得到混合溶液A，用25%的氨水溶液调节溶液的pH至10.0～12.0；

（2）用蒸馏水配制金属盐溶液B，溶液中金属离子总浓度为0.5～4mol/L，金属盐为NiSO₄、MnSO₄、CoSO₄按合成产物的化学计量比混合得到；用蒸馏水配制氢氧化钠和氨水的混合溶液C，其中氢氧化钠溶液的浓度为2～4mol/L，氨水的浓度为0.2～3mol/L；

（3）先将配置好的混合溶液A加入反应釜中作为反应底液，然后将配置好的溶液B和溶液C同时滴加到反应釜中，在惰性气体氮气的保护下，温度为40～80℃，在超声波空化作用下反应40~60min得到氢氧化物；其中，超声功率按溶液体积控制在600～1800W每升溶液(超声波功率的增加可以通过增加超声波发生器的数量来实现)，通过调节C溶液的滴加速率控制反应体系的pH值为10.0～12.0，混合溶液A、溶液B、溶液C的体积比为2:1:1~8:1:1；

（4）用蒸馏水将合成的氢氧化物洗涤至中性、干燥后得到氢氧化物纳米片Ni_xCo_yMn_z(OH)₂，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z=1。

在合成过程中，超声波具有促进形核和控形的作用；超声波产生的局部高温高压促进了晶核的形成，使形核率大大增加，形成的大量细小晶核在超声波作用下不会团聚形成更大的晶核，从而有效阻止了更大的二次颗粒的产生；在超声波作用下，晶体某些晶面会出现择优生长，出现类似于片状的纳米颗粒，超声波起到一定的控形作用。表面活性剂作为控形剂起到阻止晶粒长大和控形的作用。表面活性剂吸附在形成晶核的表面，阻止晶核进一步长大，同时在某些晶面形成择优取向，促成最后纳米片颗粒的形成。纳米结构的电极材料能有效减少充放电过程中的极化作用，提高电池的比容量和倍率性能，明显提高其电化学性能。合成的复合氢氧化物纳米片颗粒可作为锂离子电池正极材料前驱体，也可作为超级电容器的电极材料。

本发明的有益效果：现有电极材料制得的电池在循环过程中会存在容量衰减，尤其在大倍率循环过程中容量衰减更为严重。合成纳米片形貌的前驱体，从而制备具有纳米结构的正极材料减小了循环过程中容量衰减，提高了电化学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中镍钴锰锂离子电极材料XRD图；