[发明专利]一种金属元素梯度掺杂的四氧化三钴的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属元素梯度掺杂的四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：(1)配制低、中、高浓度混合盐溶液；(2)利用高浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液制备中粒径为4‑6μm的物料；(3)利用高浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液制备中粒径为11‑13μm的物料；(4)利用中浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液制备中粒径为14‑18μm的物料；(5)再利用低浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液制备中粒径为19‑23μm的物料；(6)将步骤(5)中得到的物料经洗涤、干燥、煅烧得到金属元素梯度掺杂的四氧化三钴。本发明能实现金属元素的梯度掺杂，优化材料的循环性能、容量等电化学性能。

技术领域

本发明属于电池材料领域，尤其涉及一种四氧化三钴的制备方法。

背景技术

3C电子产品要求轻便、小巧，导致相应的电池需要具备高能量密度。而钴酸锂作为现在最主要的3C电子产品用正极材料，其能量密度在一定程度上决定了锂离子电池的能量密度。高电压钴酸锂具有高克容量和高电压的特性，是现在钴酸锂研究的主要方向。

钴酸锂研究时，金属掺杂的四氧化三钴的制备得到了较多的关注。传统的固相掺杂无法同时保证制备得到的钴酸锂的安全性能和克容量发挥。前驱体湿法掺杂相应金属元素，能保证材料在高电压下的循环性能和安全性能。

专利CN103715418A公开了一种球形四氧化三钴的制备方法，其步骤是通过将钴盐及其他微量金属元素混合，并流加入沉淀剂、氧化剂制得合成产物，再经固液分离、洗涤、煅烧得到球形四氧化三钴材料，该方法所得产品掺杂元素分布均匀、粒度分布较窄、球形度好、密度高。

以上研究工作取得了一些喜人的成果，但是仍旧无法实现掺杂元素梯度分布等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种掺杂元素中心分布多，外层分布少的、梯度掺杂金属元素的四氧化三钴的制备方法，上述方法能保证掺杂元素较多的分布于四氧化三钴晶格中。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种金属元素梯度掺杂的四氧化三钴的制备方法，包括以下步骤：

(1)将低、中、高三个浓度的金属盐溶液与钴盐溶液混合得到低、中、高浓度混合盐溶液；

(2)在反应釜中加入碳酸铵盐底液，在搅拌下持续加入高浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液直到反应生成的物料的中粒径为4-6μm，停止加料，并停止搅拌，待固液分层后去除上清液得到物料a；

(3)再继续向反应釜的物料a中持续加入高浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液直到反应生成的物料的中粒径为11-13μm，停止加料，并停止搅拌，待固液分层后去除上清液得到物料b，保留一半物料b在反应釜中；

(4)再继续向反应釜的物料b中持续加入中浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液直到反应生成的物料的中粒径为14-18μm，停止加料，并停止搅拌，待固液分层后去除上清液得到物料c，保留一半物料c在反应釜中；

(5)再继续向反应釜的物料c中持续加入低浓度的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液直到反应生成的物料的中粒径为19-23μm，停止加料，并停止搅拌，待固液分层后去除上清液得到碳酸钴浆料；

(6)将步骤(5)中得到的碳酸钴浆料经洗涤、干燥、煅烧得到金属元素梯度掺杂的四氧化三钴；

上述步骤(2)-(5)中，若持续加入的混合盐溶液与碳酸铵盐溶液装满反应釜后，停止加料，并停止搅拌，进行固液分层去除上清液的操作，一般需要进行4-12次去除上清液的操作。

上述金属元素梯度掺杂的四氧化三钴的制备方法中，优选的，所述钴盐为氯化钴、硫酸钴和硝酸钴中的一种或几种，所述钴盐的浓度为80-160g/L。