CN108832089A - 一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料由核心材料和包覆层构成，所述核心材料为镍钴锰酸锂，其化学式为LiNixCoyMn1‑x‑yO2，其中0<＝x,y<＝1；所述包覆层为MoS2。其制备方法为：将四硫代钼酸铵加入溶剂中，于40～80℃搅拌，得到分散液；向分散液中加入镍钴锰酸锂获得混合液，持续搅拌直至溶剂变干后置于真空烘箱中干燥，将混合物在保护气氛下烧结，即得到二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料。本发明制备工艺简单，操作简便，元素利用率高。应用于锂离子电池中，具有首次库伦效率高、循环性能稳定以及倍率性能优良的特点。

Description

一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
2017年3月1日，工信部、***、科技部和财政部四部委联合印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，产品性能上提出2020年动力电池***比能量达到260Wh/kg(其中电池单体能量密度达到350Wh/kg，后又有补充350Wh/kg为目标300Wh/kg为指标)、成本降至1元/Wh以下，2025年动力电池单体比能量达500Wh/kg的目标。这些政策的出台显然为动力电池的高比能化及低成本化指明了方向，同时也预示着三元材料将在未来的很长的一段时间内成为相关领域人员关注的重点。
锂离子电池高镍系三元正极材料由于拥有能量密度高、成本较低等优点，被认为是最具前景的下一代高能量锂离子电池正极材料，并成为应用于电动汽车中的热点材料之一。然而高镍系三元材料仍然存在一些亟待解决的难题，第一：高镍材料表面残余锂极易与空气中的水与二氧化碳反应，造成表面残碱量高，从而增加不可逆容量损失，恶化循环性能。第二：由于电解液分解产生的氟化氢的腐蚀，三元材料中镍、钴、锰过渡金属会从电极溶解到电解液中。第三：在电池充放电过程中，伴随着副反应的发生，正极活性材料的结构将会受到一定的破坏。
表面改性是目前行之有效的改善高镍三元正极材料性能的一种方法。材料进行表面改性后，形成的保护层可以将材料中的活性物质与电解液隔离开来，从而可以大大降低电极/电解质界面处的副反应，比如，减少过渡金属的析出、形成更薄的表面保护膜、降低氧原子的析出等，从而抑制了材料在充放电过程中的结构破坏，提高了电化学稳定性，延长了循环寿命。
传统的包覆物质如氧化物等不具有良好的电子电导率或离子电导率，包覆后主体材料会有一定程度的容量降低等缺陷，导致包覆效果会大打折扣。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种包覆均匀、化学稳定性好、离子-电子电导率高的二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料，所述复合材料由核心材料和包覆层构成，所述核心材料为镍钴锰酸锂，其化学式为LiNixCoyMn1-x-yO2，其中0<＝x,y<＝1，所述包覆层为MoS2。
优选的方案，所述复合材料中，包覆层的质量分数为0.5～10wt％。
作为进一步的优选，所述复合材料中，包覆层的质量分数为2～6wt％。
发明人发现，包覆物质的质量对包覆效果有一定的影响，包覆物质的质量过高会改变包覆材料的结构，过低则不能完全或均匀包覆。
优选的方案，所述二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的粒径为1～20μm。
优选的方案，所述包覆层的厚度为5～100nm。
作为进一步的优选，所述包覆层的厚度为10～50nm。
优选的方案，所述核心材料为镍钴锰酸锂，其化学式为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2中的一种。
一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：
将四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)加入溶剂中，于40～80℃搅拌，得到分散液；向分散液中加入镍钴锰酸锂获得混合液，对混合液蒸发结晶获得结晶产物，将结晶产物在保护气氛下烧结，即得到二硫化钼包覆镍钴锰酸锂(LiNixCoyMn1-x-yO2@MoS2，其中0<＝x,y<＝1)复合材料。
优选的方案，将四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)加入溶剂中，于50～70℃下搅拌5～30min，得到分散液。
作为进一步的优选，将四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)加入溶剂中，于50～70℃的水浴加热下搅拌10～20min，得到分散液。
发明人发现，四硫代钼酸铵的溶液温度对最终所得的复合正极材料的性能有一定的影响，温度过低分散不均匀导致后续所形成的包覆层不均匀，温度过高导致后续复合材料所形成的包覆层产生脱落的情况。
优选的方案，所述溶剂选自乙醇或乙二醇。
优选的方案，所述分散液中，四硫代钼酸铵的质量分数为0.5～5wt％。
作为进一步的优选，所述分散液中，四硫代钼酸铵的质量分数为0.65～1.95wt％。
优选的方案，所述镍钴锰酸锂的粒径为1～20μm。
优选的方案，所述混合物中，四硫代钼酸铵的质量分数为0.81～16.25wt％。
优选的方案，所述混合物中，四硫代钼酸铵的质量分数为3.25～9.75wt％。
优选的方案，向分散液中缓慢加入镍钴锰酸锂获得混合液。在本发明中所述的缓慢是指在一定的持续时间内加入镍钴锰酸锂，使得持续加入的镍钴锰酸锂接触分散液时可以立即分散开，而没有固体粉末堆积在液体表面的现象。
发明人发现，如果快速倒入镍钴锰酸锂会对包覆层的均匀性有一定的影响。
优选的方案，所述蒸发结晶的具体操作为，混合液先在50～70℃下搅拌至溶剂全部挥发，然后进行真空干燥获得结晶产物。
作为进一步的优选，所述真空干燥的温度为80～150℃。
作为更进一步的优选，所述真空干燥的温度为90～120℃。
优选的方案，所述烧结的温度为350～550℃。作为进一步的优选，所述烧结的温度为400～500℃。
作为进一步的优选，烧结的时间为4～12h。
作为进一步的优选，所述烧结时间为6～10h。
优选的方案，所述保护气氛为氩气或氮气。
本发明一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的应用，将二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料作为锂离子电池正极材料应用于锂离子电池中。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明通过简单的液相法辅以低温烧结制备了二硫化钼表面改性的正极三元材料。二维过渡金属硫属化物MoS2是一种类似于石墨烯的层状二维结构，它是由两个S层和一个Mo层组成的ABA三明治分层结构，相邻层之间通过范德华力相互作用，这种特征结构可以为锂离子的***和脱出提供一个稳定通道，因此MoS2涂层可以提供额外的锂离子脱嵌位点，从而降低三元材料不可逆的容量损失。此外，MoS2还具有化学稳定性、结构灵活性以及一定的电导率等优点，可以作为在电极与电解液之间传输电子和锂离子的“高速公路”，采用二硫化钼进行表面改性可以增加三元材料的导电性与缓解充放电过程中的结构变化，能有效地优化界面电化学反应环境，提高三元材料的首次库伦效率、循环稳定性以及倍率性能一定的电导率。本发明制备工艺简单，操作简便，元素利用率高，正极三元材料的电化学性能得到显著改善。
附图说明
图1为实施例1中LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料，以及LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料的扫描与透射电镜图；
其中，图1(a)为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料的扫描电镜图，图1(b)为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料的扫描电镜图，图1(c)为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料的透射电镜图，图1(d)为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料的透射电镜图，
图2为实施例1中改性前LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料以及改性后所得LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料在1C电流密度下、25℃和2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图。
图3为实施例1改性前LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料以及改性后所得LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料在1C电流密度下、55℃和2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图。
图4为实施例2改性前LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料以及改性后所得LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2@MoS2复合材料在1C电流密度下、25℃和2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图。
图5为实施例3改性前LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元材料以及改性后所得LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2@MoS2复合材料在1C电流密度下、25℃和2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1：
将0.325g四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)溶于32.5g无水乙醇中，50℃水浴加热搅拌10分钟，得到分散液；向分散液中加入(平均粒径10μm，10g)LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料获得混合液，保持50℃水浴持续搅拌直至溶剂变干后，将所得产物在90℃下真空干燥获得混合物，于在400℃、氩气气氛下烧结6小时，即得LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料，其中MoS2的包覆量为2wt％。
图1为实施例1中LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2三元材料，以及LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@MoS2复合材料的扫描与透射电镜图；由图1(a)和(b)可以看出，改性后材料形貌基本没有变化，均为类球形颗粒，说明包覆过程不会损坏材料的整体形貌；从图中可以看出，包覆前材料表面的一次颗粒棱角分明，但在高倍率下可以看出材料表面一次颗粒的棱角变的模糊或者消失，表面出现了许多细小颗粒，说明在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料沉积了一层物质。从图1(c)可以看出，未包覆材料的表面较光滑，晶格间距为0.473nm，对应于LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的003面。从图1(d)可以看出材料表面均匀分布约14-16nm厚的包覆层，与SEM结果一致，里层材料的晶格间距为0.473nm，对应于为811材料的003面，包覆层的晶面间距为0.616nm，符合MoS2材料的002面，说明主体材料的表面沉积有均匀的MoS2包覆层。
图2为改性前后正极三元材料1C电流密度下、25℃与2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图。由图2可知，未改性的材料循环100圈后，材料的容量从183.9mAh·g-1衰减至152.5mAh·g-1，容量保持率为82.9％，而改性后的材料循环100圈后，材料的容量从185.8mAh·g-1衰减至170.1mAh·g-1，容量保持率为91.6％，明显高于未改性的。
图3为改性前后正极三元材料1C电流密度下、55℃与2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图。由图3可知，改性后的材料在1C下循环100次后，材料的容量从199.7mAh·g-1衰减至157.9mAh·g-1，容量保持率为79.1％，而未改性材料的放电容量从197.3mAh·g-1迅速衰减至103.2mAh·g-1，容量保持率仅有52.3％。
实施例2：
将0.65g四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)溶于100g乙二醇溶剂中，60℃水浴加热搅拌15分钟，得到分散液；向分散液中加入(平均粒径12μm，10g)加入LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料，保持60℃水浴持续搅拌直至溶剂全部挥发，将所得混合物在100℃下真空干燥，然后在450℃、氩气气氛下烧结8小时，即得二硫化钼(MoS2)表面改性的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2@MoS2复合材料，其中MoS2的包覆量为4wt％。
图4为改性前后正极三元材料1C电流密度下、25℃与2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图，由图4可知，改性前的材料在1C下循环100次后，材料的容量从173.1mAh·g-1迅速衰减至143.9mAh·g-1，容量保持率仅为83.1％，而改性后的材料循环100次放电容量从173.7mAh·g-1衰减至158.4mAh·g-1，容量保持率为91.2％。
实施例3：
将0.975g四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)溶于50g乙醇溶剂中，70℃水浴加热搅拌20分钟，得到分散液；向分散液中加入(平均粒径11μm，10g)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元材料，保持70℃水浴持续搅拌直至溶剂变干后，，将所得混合物在120℃下真空干燥，然后在500℃、氮气气氛下烧结10小时，即得二硫化钼(MoS2)表面改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2@MoS2复合材料，其中MoS2的包覆量为6wt％。
图5为改性前后正极三元材料1C电流密度下、25℃与2.8～4.3V电压区间内的循环曲线图，由图5可知，改性前的材料在1C下循环100次后，材料的容量从159.4mAh·g-1迅速衰减至129.6mAh·g-1，容量保持率仅为81.3％，而改性后的材料循环100次放电容量从160.2mAh·g-1衰减至145.1mAh·g-1，容量保持率为90.6％。
对比例1：
与实施例1相比，区别在于，水浴温度由50℃改为100℃。未改性的材料循环100圈后，材料的容量从183.9mAh·g-1衰减至152.5mAh·g-1，容量保持率为82.9％，而改性后的材料循环100圈后，材料的容量从182.1mAh·g-1衰减至142.6mAh·g-1，容量保持率为78.3％，明显低于实施例1的91.6％。
对比例2：
与实施例2相比，区别在于，氩气气氛改为空气气氛。改性前的材料在1C下循环100次后，材料的容量从173.1mAh·g-1迅速衰减至143.9mAh·g-1，容量保持率仅为83.1％，而改性后的材料循环100次放电容量从171.9mAh·g-1衰减至139.6mAh·g-1，容量保持率为81.2％，明显低于实施例2的91.2％。
对比例3：
与实施例3相比，区别在于，烧结温度由500℃改为250℃。改性前的材料在1C下循环100次后，材料的容量从173.1mAh·g-1迅速衰减至143.9mAh·g-1，容量保持率仅为83.1％，而改性后的材料循环100次放电容量从170.7mAh·g-1衰减至136.4mAh·g-1，容量保持率为79.9％，明显低于实施例3的90.6％。

Claims (10)

1.一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料，其特征在于：所述复合材料由核心材料和包覆层构成，所述核心材料为镍钴锰酸锂，其化学式为LiNixCoyMn1-x-yO2，其中0<＝x,y<＝1；，所述包覆层为MoS2。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料，其特征在于：所述复合材料中，包覆层的质量分数为0.5～10wt％。
3.根据权利要求1所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料，其特征在于：
所述二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的粒径为1～20μm。
4.制备如权利要求1～3任一项所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料，其特征在于，包括以下步骤：
将四硫代钼酸铵加入溶剂中，于40～80℃搅拌，得到分散液；向分散液中加入镍钴锰酸锂获得混合液，对混合液蒸发结晶获得结晶产物，将结晶产物在保护气氛下烧结，即得到二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于：
将四硫代钼酸铵加入溶剂中，于50～70℃下搅拌5～30min，得到分散液。
6.根据权利要求4所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于：
所述溶剂选自乙醇或乙二醇。
7.根据权利要求4所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于：
所述分散液中，四硫代钼酸铵的质量分数为0.5～5wt％。
8.根据权利要求4所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于：
所述镍钴锰酸锂的粒径为1～20μm。
9.根据权利要求4所述的一种二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结的温度为350～550℃，所述烧结时间为4～12h。
10.一种如权利要求1～3任一项所述的二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料的应用，其特征在于：将权利要求1～3任一项所述的二硫化钼包覆镍钴锰酸锂复合材料应用于锂离子电池中。
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