碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法、碳包覆镍钴锰三元材料及具有其的锂离子电池正极材料与流程

1.本发明涉及锂电池正极材料技术领域，具体而言，涉及一种碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法、碳包覆镍钴锰三元材料及具有其的锂离子电池正极材料。


背景技术：

2.随着新能源汽车市场的快速发展，新能源汽车对于车辆续航能力和动力电池能量密度的要求越来越高。以镍钴锰酸锂三元材料为正极的三元电池，特别是镍在三元素中的比例≥80％的高镍三元材料，在提升能量密度和降成本方面具有巨大潜力，吸引了全球众多电池巨头争相研发。
3.但是三元材料在循环过程中材料会发生粉化，其制成的电池的容量保持率逐渐降低。并且现有技术中采用多种对三元材料的性能改善方法，比如：包覆、掺杂等，具有成本高、难于量产碳包覆三元材料的缺点。
4.因此针对现有技术中的镍钴锰三元材料的碳包覆方法成本高、难以量产的问题，目前尚未提出有效地解决方案。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法、碳包覆镍钴锰三元材料及具有其的锂离子电池正极材料，以解决现有技术中的镍钴锰三元材料的碳包覆方法成本高、难以量产的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法，包括：将镍钴锰三元材料与碳源混合，对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨，使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应以获得碳包覆镍钴锰三元材料；其中，碳源由对含糖的农作物进行高温碳化处理得到。
7.进一步地，镍钴锰三元材料与碳源混合后，得到混合物，其中，碳源的质量占混合物质量的2％-10％。
8.进一步地，镍钴锰三元材料为单晶三元材料。
9.进一步地，碳源为石墨。
10.进一步地，含糖的农作物包括如下至少之一：棉花、玉米、小麦、土豆。
11.进一步地，高温碳化处理工艺为将含糖的农作物添加至马弗炉中并在600-950℃氦气气氛下碳化30-120分钟。
12.进一步地，对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨的球磨过程中的放电气体介质为惰性气体。
13.进一步地，对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨的球磨时间为 5h～20h。
14.进一步地，等离子体放电辅助高能球磨采用的等离子体放电参数包括电源高压、
放电电流，其中，电源高压为15kv，放电电流为1.5a-2.5a。
15.进一步地，使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应的步骤包括：将镍钴锰三元材料与碳源形成的混合物添加至装有磨球的球磨罐中，启动球磨机以使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应，其中，磨球与混合物的质量比为30:1～60:1。
16.根据本发明的一个方面，提供了一种碳包覆镍钴锰三元材料，由上述的方法制备得到。
17.根据本发明的另一方面，提供了一种锂离子电池正极材料，包括上述的碳包覆镍钴锰三元材料。
18.应用本发明的技术方案，首先将镍钴锰三元材料与碳源混合，然后对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨，使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应以获得碳包覆镍钴锰三元材料，这样使得制备的碳包覆镍钴锰三元材料作为正极材料时能够抑制三元正极材料的粉化，提高电池的循环性能，同时，碳源由对含糖的农作物进行高温碳化处理得到，有效地降低了制备碳包覆镍钴锰三元材料的成本，采用本技术的技术方案，有效地解决了现有技术中的镍钴锰三元材料的碳包覆方法成本高、难以量产的问题。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了根据本发明的碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法的第一实施例的示意图；
21.图2示出了根据本发明的碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法的第二实施例的示意图；
22.图3示出了根据本发明的碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法的第三实施例的示意图。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
26.现在，将参照附图更详细地描述根据本技术的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本技术的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
27.结合图1至图3所示，根据本技术的具体实施例，提供了一种碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法。
28.碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法包括：将镍钴锰三元材料与碳源混合，对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨，使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应以获得碳包覆镍钴锰三元材料。其中，碳源由对含糖的农作物进行高温碳化处理得到。
29.应用本实施例的技术方案，首先将镍钴锰三元材料与碳源混合，然后对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨，使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应以获得碳包覆镍钴锰三元材料，这样使得制备的碳包覆镍钴锰三元材料作为正极材料时能够抑制三元正极材料的粉化，提高电池的循环性能，同时，碳源由对农作物进行高温碳化处理得到，有效地降低了制备碳包覆镍钴锰三元材料的成本，采用本技术的技术方案，有效地解决了现有技术中的镍钴锰三元材料的碳包覆方法成本高、难以量产的问题。
30.进一步地，镍钴锰三元材料与碳源混合后，得到混合物。其中，碳源的质量占混合物质量的2％-10％。
31.附图1为由棉花碳化后包覆的三元材料ncm811@c和未经碳包覆的三元材料ncm811 的xrd图的对比图，图1中横坐标为x射线的入射角度的两倍的角度值，纵坐标为衍射后的强度。其中，ncm811为三元锂电池正极中三种材料的缩写，用以表征含有镍、锰、钴的三元材料。ncm811中镍、锰、钴的元素配比为8:1:1。
32.具体地，镍钴锰三元材料为单晶三元材料。
33.附图2为由棉花碳化包覆的三元材料ncm811@c和未经碳包覆的三元材料ncm811的充放电曲线图，由图2可知包覆后的ncm811@c充放电过程中的反应平台与ncm811完全相同。
34.附图3为由棉花碳化包覆的ncm811@c在1a/g电流密度下的循环曲线图。可以看出随着循环次数的增加，ncm811@c复合材料具有较高的循环稳定性，其主要原因是石墨包覆层防止ncm811正极材料的结构坍塌，进而提高其循环稳定性。
35.可选地，碳源为石墨。
36.其中，含糖的农作物包括如下至少之一：棉花、玉米、小麦、土豆。可选地，农作物选用糖度含量较高的粮食作物。
37.进一步地，对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨的球磨过程中的放电气体介质为惰性气体。
38.可选地，对镍钴锰三元材料与碳源进行等离子体放电辅助高能球磨的球磨时间为5h～20h。优选地，球磨时间为10h。
39.可选地，高温碳化处理工艺为将含糖的农作物添加至马弗炉中并在600-950℃氦气气氛下碳化30-120分钟。
40.可选地，进一步地，等离子体放电辅助高能球磨采用的等离子体放电参数包括电
源高压、放电电流，其中，电源高压为15kv，放电电流为1.5a-2.5a。
41.进一步地，使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应的步骤包括：将镍钴锰三元材料与碳源形成的混合物添加至装有磨球的球磨罐中，启动球磨机以使镍钴锰三元材料与碳源发生化学反应，其中，磨球与混合物的质量比为30:1～60:1。
42.根据本技术的具体实施例，提供了一种碳包覆镍钴锰三元材料，由上述实施例中的方法制备得到。
43.上述实施例中的碳包覆镍钴锰三元材料可以应用于电池正极材料领域，根据本发明的另一方面，根据本技术的具体实施例，提供了一种锂离子电池正极材料，包括上述实施例中的的碳包覆镍钴锰三元材料。
44.采用本技术的技术方案，提供了一种简便、易量产的碳包覆三元材料制备方法，该方法以粮食农作物为原材料，成本低廉，并且制备的碳包覆三元材料制成的电池循环性能好，能够抑制三元材料在循环过程中的粉化。
45.碳包覆镍钴锰三元材料的制备方法的具体工艺流程如下：
46.第一、将棉花等农作为进行碳化处理，得到石墨。将单晶ncm811与石墨混合，并采用等离子体放电辅助高能球磨法进行球磨包覆，制备得到碳包覆的三元正极材料ncm811@c，其中石墨的质量百分含量为2％，磨球与粉体的质量比为30:1，球磨时间为5h。
47.第二、进行放电等离子体辅助高能球磨，其工艺过程如下：为在球磨罐中装入磨球和一定配比的单晶ncm811与经过高温碳化处理后的石墨。把电极棒和前盖板分别与等离子体电源的正负两极相连。通过真空阀对球磨罐抽真空，随后充入氩气，使球磨罐内的压力值达到接通等离子体电源。设置等离子体电源电压为15kv，电流为1.5a，随后即可启动球磨机，进行介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨。
48.第三、通过制浆、涂布、辊压制成ncm811@c正极极片。
49.第四、与石墨负极极片搭配，制成软包电池，测试电性能。
50.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
51.除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本技术概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
52.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。