CN107732179A - 一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料及其制备方法，钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的化学表达式为LiaNixCoyAlzTabO2，其中1≤a≤1.2；0.3≤x≤0.98；0.01≤y≤0.6；0.001≤z≤0.1；b＝4/5‑a/5‑3x/5‑3y/5‑3z/5，0.00001≤b≤0.2。本发明通过将单晶镍钴铝复合前驱体和钽的化合物进行超高速预混合，再将单晶镍钴铝前驱体和钽化合物的混合料与普通多晶镍钴铝前驱体高速混合，提高混合效果，因为单晶复合前驱体机械强度高，可以采用超高速混合，而不至于破碎，同时单晶复合前驱体可以起到碰撞介质的作用，将钽的化合物充分打散，使掺杂元素和主元素充分混合。

Description

一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料
技术领域
本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料及其制备方法。
背景技术
镍钴铝锂(LNCA)离子电池正极材料由于具有很高的能量密度以及相对较低的价格被广泛应用于IT产品以及新能源汽车领域，但单纯的镍钴铝酸锂属于半导体材料，电子电导率非常低；而锂离子的传导受到传输通道的阻力也非常大，造成其电导率只有10-9-10-7S/cm；而正极材料的电导率直接影响IT产品电池的充电时间以及动力电池的大倍率放电性能，随着对锂离子电池快速充放电越来越高的要求，提高正极材料的电导率是非常必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料，解决了现有正极材料电导率低、放电比容量低的问题；本发明的目的还在于提供该正极材料的制备方法，该方法解决了现有技术中掺杂元素分布不均匀，导致放电比容量与电导率失衡的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料，其化学表达式为：LiaNixCoyAlzTabO2，其中1≤a≤1.2；0.3≤x≤0.98；0.01≤y≤0.6；0.001≤z≤0.1；b＝4/5-a/5-3x/5-3y/5-3z/5，0.00001≤b≤0.2。
本发明的另一个技术方案是这样实现的：一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，该方法通过如下步骤实现：
步骤1，分别称取多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体、纳米级五氧化二钽以及锂源；
步骤2，将步骤1中所述的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级钽的化合物加入超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将所述步骤2获得的第一混合物与步骤1中所述的多晶镍钴铝复合前驱体以及锂源加入高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将所述步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中进行焙烧，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料。
优选地，所述步骤1中，所述多晶镍钴铝复合前驱体和所述单晶镍钴铝复合前驱体的质量比为(2-20)：1。
优选地，所述步骤1中，所述多晶镍钴铝复合前驱体和单晶镍钴铝复合前驱体中镍、钴、铝的摩尔之比为(0.3-0.98)：(0.01-0.6)：(0.001-0.1)。
优选地，所述步骤1中，所述纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝总摩尔量的0.0001-2％。
优选地，所述步骤1中，所述锂源的称取量按摩尔比锂：Me＝(1.2-0.9):1计算，其中，Me为镍、钴、铝的摩尔量之和。
优选地，所述步骤1中，所述多晶镍钴铝复合前驱体和所述单晶镍钴铝复合前驱体均为镍、钴、铝的复合氢氧化物、复合氧化物、复合羟基氧化物中的一种或多种。
优选地，所述步骤1中，所述锂源为硝酸锂、乙酸锂、碳酸锂和氢氧化锂中的一种或多种。
优选地，所述步骤2中，所述超高速混料器的转速为5500-20000r/min。
优选地，所述步骤3中，所述高速混料器的转速为500-10000r/min。
优选地，所述步骤4中，所述焙烧温度为600-1200℃，焙烧时间为6-36h。
本发明正极材料通过掺入纳米级钽的化合物，有效的提供了其电导率和放电比容量；本发明方法先通过将单晶镍钴铝复合前驱体和钽的化合物进行超高速预混合，再将单晶镍钴铝前驱体和钽化合物的混合料与普通多晶镍钴铝前驱体高速混合，提高了钽元素的均匀分布效果，因为单晶复合前驱体机械强度高，可以采用超高速混合，而不至于破碎，同时单晶复合前驱体可以起到碰撞介质的作用，将钽的化合物充分打散，使掺杂元素和主元素充分混合。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料，其化学表达式为：LiaNixCoyAlzTabO2，其中1≤a≤1.2；0.3≤x≤0.98；0.01≤y≤0.6；0.001≤z≤0.1；b＝4/5-a/5-3x/5-3y/5-3z/5，0.00001≤b≤0.2。
本发明实施例还提供了该锂离子电池正极材料的制备方法，该方法通过如下步骤实现：
步骤1，按照质量比为(2-20)：1分别称取镍钴铝摩尔比为(0.3-0.98)：(0.01-0.6)：(0.001-0.1)的多晶镍钴铝复合前驱体和单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米五氧化二钽(Ta2O5)和锂源；其中，多晶镍钴铝复合前驱体和所述单晶镍钴铝复合前驱体均为镍、钴、铝的复合氢氧化物、复合氧化物、复合羟基氧化物中的一种或多种；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝总摩尔量的0.0001-2％；锂源的称取量按摩尔比锂：Me＝(1.2-0.9):1计算，Me为镍、钴、铝的摩尔量之和；锂源为硝酸锂、乙酸锂、碳酸锂和氢氧化锂中的一种或多种；
步骤2，将步骤1中所述的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级钽的化合物加入转速为5500-20000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将所述步骤2获得的第一混合物与步骤1中所述的多晶镍钴铝复合前驱体以及锂源加入转速为500-10000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将所述步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在600-1200℃下焙烧6-36h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料。
本发明正极材料通过掺入纳米级钽的化合物，有效的提供了其电导率和放电比容量；本发明方法先通过将单晶镍钴铝复合前驱体和钽的化合物进行超高速预混合，再将单晶镍钴铝前驱体和钽化合物的混合料与普通多晶镍钴铝前驱体高速混合，提高了钽元素的均匀分布效果，因为单晶复合前驱体机械强度高，可以采用超高速混合，而不至于破碎，同时单晶复合前驱体可以起到碰撞介质的作用，将钽的化合物充分打散，使掺杂元素和主元素充分混合。
实施例1
制备LiNi0.98Co0.01Al1/150Ta0.002O2正极材料；
步骤1，按照质量比为10：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.98:0.01:0.006的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和硝酸锂(LiNO3)；其中，硝酸锂(LiNO3)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.997；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.002％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为10000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及硝酸锂(LiNO3)加入转速为3000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在900℃下焙烧20h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.98Co0.01Al1/150Ta0.002O2)，记为正极材料-1。
实施例2
制备LiNi0.98Co0.01Al1/150Ta0.002O2正极材料；
步骤1，按照质量比为2：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.98:0.01:0.006的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和碳酸锂(Li2CO3)；其中，碳酸锂(Li2CO3)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.92；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.002％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为20000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及碳酸锂(Li2CO3)加入转速为500r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在600℃下焙烧36h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.98Co0.01Al1/150Ta0.002O2)，记为正极材料-2。
实施例3
制备LiNi0.98Co0.01Al1/150Ta0.002O2正极材料；
步骤1，按照质量比为20：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.98:0.01:0.006的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和氢氧化锂(LiOH)；其中，氢氧化锂(LiOH)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.997；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.002％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为15000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及氢氧化锂(LiOH)加入转速为5000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在1200℃下焙烧6h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.98Co0.01Al1/150Ta0.002O2)，记为正极材料-3。
实施例4
制备LiNi0.9Co1/75Al1/300Ta0.05O2正极材料；
步骤1，按照质量比为10：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.9:0.013:0.003的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和硝酸锂(LiNO3)；其中，硝酸锂(LiNO3)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.997；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.05％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为10000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及硝酸锂(LiNO3)加入转速为3000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在900℃下焙烧20h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.9Co1/75Al1/300Ta0.05O2)，记为正极材料-4。
实施例5
制备LiNi0.9Co1/75Al1/300Ta0.05O2正极材料；
步骤1，按照质量比为2：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.9:0.013:0.003的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和碳酸锂(Li2CO3)；其中，碳酸锂(Li2CO3)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.997；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.05％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为20000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及碳酸锂(Li2CO3)加入转速为500r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在600℃下焙烧36h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.9Co1/75Al1/300Ta0.05O2)，记为正极材料-5。
实施例6
制备LiNi0.9Co1/75Al1/300Ta0.05O2正极材料；
步骤1，按照质量比为20：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.9:0.013:0.003的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和氢氧化锂(LiOH)；其中，氢氧化锂(LiOH)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.997；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.05％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为10000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及氢氧化锂(LiOH)加入转速为3000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在1200℃下焙烧6h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.9Co1/75Al1/300Ta0.05O2)，记为正极材料-6。
实施例7
制备LiNi0.96Co1/75Al0.01Ta0.01O2正极材料；
步骤1，按照质量比为10：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.96:0.013:0.01的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和硝酸锂(LiNO3)；其中，硝酸锂(LiNO3)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.98；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.01％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为10000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及硝酸锂(LiNO3)加入转速为3000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在900℃下焙烧20h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.96Co1/75Al0.01Ta0.01O2)，记为正极材料-7。
实施例8
制备LiNi0.96Co1/75Al0.01Ta0.01O2正极材料；
步骤1，按照质量比为2：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.96:0.013:0.01的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和碳酸锂(Li2CO3)；其中，碳酸锂(Li2CO3)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.98；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.01％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为20000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及碳酸锂(Li2CO3)加入转速为500r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在600℃下焙烧36h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.96Co1/75Al0.01Ta0.01O2)，记为正极材料-8。
实施例9
制备LiNi0.96Co1/75Al0.01Ta0.01O2正极材料；
步骤1，按照质量比为20：1分别称取镍、钴、铝摩尔比为0.96:0.013:0.01的多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体以及一定量的纳米级五氧化二钽(Ta2O5)和氢氧化锂(LiOH)；其中，氢氧化锂(LiOH)与镍、钴、铝摩尔量之和的比例为1:0.98；纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝摩尔量之和的0.01％；
步骤2，将步骤1中的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级Ta2O5加入转速为10000r/min的超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将步骤2获得的第一混合物与步骤1中的多晶镍钴铝复合前驱体以及氢氧化锂(LiOH)加入转速为3000r/min的高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中，在1200℃下焙烧6h，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料(LiNi0.96Co1/75Al0.01Ta0.01O2)，记为正极材料-9。
装配扣式电池及检测：
将实施例1-9获得的钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料作为正极，金属锂片为负极，分别装配成9个扣式电池进行充放电对比测试，检测结果如下表：
表1为实施例1-9获得的电池正极材料以及常规电池正极材料的放电比容量检测数据
3C倍率下放电比容量(mAh/g)
正极材料-1 187
正极材料-2 183
正极材料-3 185
正极材料-4 184
正极材料-5 184
正极材料-6 186
正极材料-7 183
正极材料-8 185
正极材料-9 182
常规材料 177
从表1中可以得出：采用本发明实施例1-9获得的钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料制得的电池的放电比容量均要优于常规电池正极材料获得的电池的放电比容量。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料，其特征在于，其化学表达式为：LiaNixCoyAlzTabO2，其中1≤a≤1.2；0.3≤x≤0.98；0.01≤y≤0.6；0.001≤z≤0.1；b＝4/5-a/5-3x/5-3y/5-3z/5，0.00001≤b≤0.2。
2.一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，该方法通过如下步骤实现：
步骤1，分别称取多晶镍钴铝复合前驱体、单晶镍钴铝复合前驱体、纳米级五氧化二钽以及锂源；
步骤2，将步骤1中所述的单晶镍钴铝复合前驱体和纳米级钽的化合物加入超高速混料器中进行混合，获得第一混合物；
步骤3，将所述步骤2获得的第一混合物与步骤1中所述的多晶镍钴铝复合前驱体以及锂源加入高速混料器中进行混合，获得钽掺杂的镍钴铝前驱体；
步骤4，将所述步骤3获得的钽掺杂的镍钴铝前驱体装入瓷舟中进行焙烧，获得钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料。
3.根据权利要求2所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述多晶镍钴铝复合前驱体和所述单晶镍钴铝复合前驱体的质量比为(2-20)：1。
4.根据权利要求3所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述多晶镍钴铝复合前驱体和单晶镍钴铝复合前驱体中镍、钴、铝的摩尔之比为(0.3-0.98)：(0.01-0.6)：(0.001-0.1)。
5.根据权利要求4所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述纳米级五氧化二钽的称取量为镍、钴、铝总摩尔量的0.0001-2％。
6.根据权利要求5所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述锂源的称取量按摩尔比锂：Me＝(1.2-0.9):1计算，其中，Me为镍、钴、铝的摩尔量之和。
7.根据权利要求6所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述多晶镍钴铝复合前驱体和所述单晶镍钴铝复合前驱体均为镍、钴、铝的复合氢氧化物、复合氧化物、复合羟基氧化物中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述超高速混料器的转速为5500-20000r/min。
9.根据权利要求8所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述高速混料器的转速为500-10000r/min。
10.根据权利要求2-9任意一项所述的一种钽掺杂的镍钴铝锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，所述焙烧温度为600-1200℃，焙烧时间为6-36h。
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