高压实密度镍钴锰酸锂ncm523三元材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法。该方法制备的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料，在材料烧结过程中添加适量的镁化合物进行掺杂，增大了镍钴锰酸锂NCM523三元材料颗粒中单晶粒子尺寸，提高颗粒的致密程度，形成牢固的微观性结构变化，提高镍钴锰酸锂NCM523正极材料的压实密度。该材料具有高能量密度、成本低、制备工艺简单、易于实现产业化等特点。
【专利说明】高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源材料制备【技术领域】，涉及用于锂离子电池的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]为了逐步解决制约当前经济发展的能源短缺和大气污染问题，锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、污染少、无记忆效应、体积小、重量轻、无环境污染等优点，近年来在技术、生产、市场上获得了快速发展，已形成了一个大的新型产业。
[0003]用于锂离子电池的正极材料镍钴锰酸锂NCM523三元材料具有电压平台高、比容量大、常温循环性能好、能量密度高、自放电小等优点，但是同钴酸锂相比，其主要缺点就是电导率低和压实密度不高，极大地制约了该材料在高能量密度的锂离子电池上使用。
【发明内容】
[0004]鉴于上述，本发明的目的旨在提供一种高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法。该方法制备的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料，通过对镍钴锰酸锂NCM523三元材料添加镁化合物进行固相烧结掺杂，增大了镍钴锰酸锂NCM523三元材料颗粒中单晶粒子尺寸，提高颗粒的致密程度，形成牢固的微观性结构变化，提高镍钴锰酸锂NCM523正极材料的压实密度。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]一种高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法，其步骤是:
[0007](1)前驱体(Nici5Coa2Mntl3)OH过筛后，在400~600°C温度下煅烧4~10小时，即得到前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O ；
[0008](2)将步骤⑴所得的前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O,过筛后与电池级碳酸锂或氢氧化锂按照Li: Ni0.5Co0.2Mn0.3=(l+x): I的摩尔配比，其中0.02≤x≤0.08，同时加入平均粒度(D50)为5.6 μ m镁的化合物，使混合料中镁化合物中镁的质量含量为混合料总质量的0.15% -0.20%，混料机转速为30~300转/分钟，混料机采用干法方式1~4小时进行充分混合；
[0009](3)将步骤(2)得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中930~960°C温度下恒温加热12~20h进行焙烧反应，完成后自然冷却8~12h取出粉末粉碎、过筛，即得到高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料。
[0010]上述步骤⑴中的前驱体(Nia5Coa2Mna3)OH为球形或类球形。
[0011]上述步骤(2)中的电池级碳酸锂或氢氧化锂的D (50)平均粒度范围5 μ m~7 μ m。
[0012]上述步骤(2)中的镁的化合物为氧化镁、或氢氧化镁、或氯化镁、或硫酸镁，镁化合物的D (50)平均粒度范围5μm~15 μ m。，
[0013]本发明的优点是:
[0014]1、本发明通过对镍钴锰酸锂NCM523三元材料添加镁化合物进行固相烧结掺杂，使镍钴锰酸锂NCM523三元材料一次颗粒单晶粒度变大，且在1.5 μ m~2.5 μ m之间，提高颗粒的致密程度，形成牢固的微观性结构变化，使得镍钴锰酸锂NCM523三元材料的压实密度得到增大。本发明制备出的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料最大压实密度≤3.8g/cm3,0.5C 克容量为 152_155mAh/g，IC 克容量为 146_150mAh/g。
[0015]2、本发明制备的三元材料性能该材料具有高能量密度、成本低、制备工艺简单、品质稳定、易于实现规模化生产等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0017]图1为本发明中实施例高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的XRD图谱。
[0018]图2为本发明中对比例得到的镍钴锰酸锂NCM523三元材料Al的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍。
[0019]图3为本发明中对比例所得到的镍钴锰酸锂NCM523三元材料A2的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍。
[0020]图4为本发明中实施例所得到的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料BI的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍。
[0021]图5为本发明中实施例所得到的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料B2的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍。
[0022]图6为本发明中实施例所得到的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料B3的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍`。
[0023]图7为本发明中实施例所得到的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料B4的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍。
【具体实施方式】
[0024]对比例I
[0025]镍钴锰酸锂NCM523三元材料Al
[0026]将平均粒度(D50)为10.4μπι球形前驱体(Nia5Coa2Mna 3) OH过筛后，在450°C温度下煅烧6小时，即得到前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O,此前驱体氧化物平均粒度(D50)为9.3 μ m，比表面积40.2m2/go将得到的前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O,过筛后与平均粒度为5.85 μ m电池级碳酸锂按照Li: Ni0.5Co0.2Mn0.3=1.06: I的摩尔进行配比，采混料机转速为45转/分钟，混料机采用干法方式3小时进行充分混合。
[0027]将上述得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中950°C温度下恒温加热16小时进行焙烧反应，完成后自然冷却8h取出粉末粉碎、过筛。即得到镍钴锰酸锂NCM523三元材料，材料编号为Al，该材料的比表面积为0.23m2/g，平均粒径(D50)为12.14 Um0
[0028]对比例2
[0029]镍钴锰酸锂NCM523三元材料A2
[0030]将平均粒度(D50)为10.4μπι球形前驱体(Nia5Coa2Mna 3) OH过筛后，在450°C温度下煅烧6小时，即得到前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O,此前驱体氧化物平均粒度(D50)为9.3 μ m，比表面积40.2m2/go将得到的前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O,过筛后与平均粒度为5.85 μ m电池级碳酸锂按照Li: Ni0.5Co0.2Mn0.3=1.08: I的摩尔进行配比，采混料机转速为45转/分钟，混料机采用干法方式4小时进行充分混合。
[0031]将上述得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中950°C温度下恒温加热16小时进行焙烧反应，完成后自然冷却8h取出粉末粉碎、过筛。即得到镍钴锰酸锂NCM523三元材料，材料编号为A2，该材料的比表面积为0.22m2/g，平均粒径(D50)为12.32 μ m。
[0032]实施例1:
[0033]高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料BI
[0034]将对比例中得到的平均粒度(D50)为9.3 μ m，比表面积40.2m2/g的前驱体氧化物(Ni。.5Co0.2Mn0.3) 20，过筛后与平均粒度(D50)为5.85 μ m电池级碳酸锂按照Li: Ni0.5Co0.2Mn0.3=1.06: I的摩尔进行配比，同时加入平均粒度(D50)为5.6 μ m的氧化镁，使混合料中镁元素质量含量为混合料总质量的0.15%，采混料机转速为45转/分钟，混料机采用干法方式3小时进行充分混合。
[0035]将上述得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中965°C温度下恒温加热16小时进行焙烧反应，完成后自然冷却8h取出粉末粉碎、过筛。即得到高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料，材料编号为BI，该材料的比表面积为0.22m2/g，平均粒径(D50)为13.04 μ mD
[0036]实施例2:
[0037]高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料B2
[0038]将对比例中得到的平均粒度(D50)为9.3 μ m，比表面积40.2m2/g的前驱体氧化物(Ni。.5Co0.2Mn0.3) 20，过筛后与平均粒度(D50)为5.85 μ m电池级碳酸锂按照Li: Ni0.5Co0.2Mn0.3=1.08: I的摩尔进行配比，同时加入平均粒度(D50)为5.6 μ m的氧化镁，使混合料中镁元素质量含量为混合料总质量的0.20 %，采混料机转速为45转/分钟，混料机采用干法方式4小时进行充分混合。
[0039]将上述得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中965°C温度下恒温加热16小时进行焙烧反应，完成后自然冷却8h取出粉末粉碎、过筛。即得到高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料，材料编号为B2，该材料的比表面积为0.21m2/g，平均粒径(D50)为13.21 μ mD
[0040]实施例3:
[0041 ] 高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料B3
[0042]将对比例中得到的平均粒度(D50)为9.3 μ m，比表面积40.2m2/g的前驱体氧化物(Ni。.5Co0.2Mn0.3) 20，过筛后与平均粒度(D50)为5.85 μ m电池级碳酸锂按照Li: Nici 5Cotl 2Mnci 3=LOe: I的摩尔进行配比，同时加入平均粒度(D50)为5.6 μ m的氢氧化镁，使混合料中镁元素质量含量为混合料总质量的0.15%，混料机转速为55转/分钟，混料机采用干法方式3小时进行充分混合。
[0043]将上述得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中945°C温度下恒温加热16小时进行焙烧反应，完成后自然冷却8h取出粉末粉碎、过筛。即得到高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料，材料编号为B3，该材料的比表面积为0.20m2/g，平均粒径(D50)为13.51 μ m0
[0044]实施例4:[0045]高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料B4
[0046]将对比例中得到的平均粒度(D50)为9.3 μ m，比表面积40.2m2/g的前驱体氧化物(Ni。.5Co0.2Mn0.3) 20，过筛后与平均粒度(D50)为5.85 μ m电池级碳酸锂按照Li: Ni0.5Co0.2Mn0.3=1.08: I的摩尔进行配比，同时加入平均粒度(D50)为5.6 μ m的氧化镁，使混合料中镁元素质量含量为混合料总质量的0.20 %，采混料机转速为55转/分钟，混料机采用干法方式4小时进行充分混合。
[0047]将上述得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中945°C温度下恒温加热16小时进行焙烧反应，完成后自然冷却8h取出粉末粉碎、过筛。即得到高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料，材料编号为B4，该材料的比表面积为0.19m2/g，平均粒径(D50)为13.65 μ m。
[0048]将以上实施例中所得到的正极材料采用日本DMAX2400型X射线衍射仪进行结构分析(CuK祀，管电压为40kV，电流为150mA，10°~100°，步长0.02° )，图1为实施例所得到的正极材料XRD图，由图可知通过掺杂烧结得到的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料无杂相，结晶好。
[0049]图2-图7为对比例及实施例所得到的普通镍钴锰酸锂NCM523三元材料(A1、A2)和高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料(B1、B2、B3、B4)的扫描电镜照片，放大倍数为5000倍。从图2-图7可以看出:烧结过程中添加镁化合物掺杂的镍钴锰酸锂NCM523三元材料材料B1、B2、B3、B4与镍钴锰酸锂NCM523三元材料Al、A2相比，增大了镍钴锰酸锂NCM523三元材料颗粒中单晶粒子尺寸，提高颗粒的致密程度，形成牢固的微观性结构变化，镍钴锰酸锂NCM523正极材料的压实密度得到增大。
[0050]将对比列及实施例中所得到的正极材料与导电剂SP、KS6、粘结剂PVDF和溶剂NMP按一定比例混合搅拌分散制成正极浆料，将正极浆料均匀地涂覆在16 μ m厚铝箔的双面，涂覆面密度为20.5mg/cm2，涂布完成后将正极极片碾压、分切，测试正极极片的最大压实密度。采用天然石墨为负极活性材料，CMC为增稠剂，SBR为粘结剂，去离子水为溶剂，再加入适量的导电剂搅拌均匀后制得负极浆料，将制得的负极浆料均匀地涂覆在铜箔的双面涂覆面密度为10.8mg/cm2，涂布完成后将负极极片碾压、分切。采用商用电解液和隔膜，将分切好的正负极片经卷绕、组装、注液及化成、分容后制成1000mAh容量的053048软包电池进行电性能测试。
[0051]测试结果如下:
[0052]
【权利要求】
1.一种高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法，其步骤: ⑴前驱体(Nia5Coa2Mna3)OH过筛后，在400~600°C温度下煅烧4~10小时，即得到前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O; ⑵将步骤⑴所得的前驱体氧化物(Nia5Coa2Mna3)2O,过筛后与电池级碳酸锂或氢氧化锂按照Li = Nia5Coa2Mna3 =(l+x):1的摩尔配比，其中0.02≤x≤0.08，同时加入平均粒度(D50)为5.6 μ m镁的化合物，使混合料中镁的化合物中镁的质量含量为混合料总质量的0.15% -0.20%,混料机转速为30~300转/分钟，混料机采用干法方式1~4小时进行充分混合； ⑶将步骤⑵得到的混合物装入匣钵压实，在空气气氛中930~960°C温度下恒温加热12^20h进行焙烧反应，完成后自然冷却8~12h取出粉末粉碎、过筛，即得到高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料。
2.如权利要求1所述一种高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法，其特征在于:所述步骤⑴中的前驱体(Nia5Coa2Mna3)OH为球形或类球形。
3.如权利要求1所述一种高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法，其特征在于:所述步骤⑵中的电池级碳酸锂或氢氧化锂的D (50)平均粒度范围5 μ m~7 μ m。
4.如权利要求1所述的高压实密度镍钴锰酸锂NCM523三元材料的制备方法，其特征在于:所述步骤⑵中的镁的化合物为氧化镁、或氢氧化镁、或氯化镁、或硫酸镁，镁化合物的D (50)平均粒度范围5 μ m~5 μ m。
【文档编号】H01M4/505GK103825015SQ201410012219
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】衡凯, 赵志兵, 王燕舞, 万国莉 申请人:兰州金里能源科技有限公司