CN114447336A - 一种高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池 - Google Patents

一种高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池，涉及电池生产技术领域。高镍三元正极材料的制备方法包括：制备反应基液，所述反应基液中包括高镍三元材料；向所述反应基液中添加吡咯单体，使其发生吡咯聚合反应并得到聚合物；对生成的所述聚合物进行烧结以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。因此本发明通过在反应基液中进行吡咯聚合并使其均匀地包覆在三元材料表面，并在惰性气体氛围下进行结烧以碳化成氮掺杂的碳包覆层，其包覆效果好且包覆更加均匀，可有效提高提升包覆层的电导率，从而提高电池的倍率性能。

Description

一种高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池
技术领域
本发明涉及电池生产技术领域，具体而言，涉及一种高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池。
背景技术
锂离子电池由于具有能量密度高、循环使用寿命长以及安全性强等特点被广泛应用，高镍三元正极材料凭借其较高的能量密度，成为商用锂离子电池的首选正极材料，也成为现阶段产业界的开发重点。但商用的锂电池要求具有优秀的倍率性能，而高镍三元材料由于电子电导率较差，因此通常需要对高镍三元材料进行改进以符合使用要求。
现在的高镍三元材料改善其倍率性能的方法之一是进行碳包覆，目前碳包覆主要是通过干法混合-烧结的方法进行碳包覆，碳源主要是碳粉、碳纳米管、有机碳等，但现有得干法碳混合烧结的材料碳包覆层不均匀，会对电池的材料性能产生影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池，其包覆均一性好，可有效提高电池的倍率性能。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种高镍三元正极材料的制备方法，所述制备方法包括：
制备反应基液，所述反应基液中包括高镍三元材料；
向所述反应基液中添加吡咯单体，使其发生吡咯聚合反应并得到聚合物；
对生成的所述聚合物进行烧结以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
在可选的实施方式中，所述制备反应基液的步骤包括：
向水和乙醇溶液中添加所述高镍三元材料并搅拌均匀，再添加氧化剂以制得所述反应基液。
在可选的实施方式中，所述氧化剂为过硫酸铵。
在可选的实施方式中，所述向所述反应基液中添加吡咯单体，使其发生吡咯聚合反应并得到聚合物的步骤之后，还包括：
搅拌添加有所述吡咯单体的所述反应基液3～5小时。
在可选的实施方式中，所述搅拌添加有所述吡咯单体的所述反应基液3～5小时的步骤之后，还包括：
将搅拌后的溶液中的所述聚合物进行过滤、冲洗以及干燥。
在可选的实施方式中，所述对发生所述聚合物进行烧结以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料的步骤包括：
将所述聚合物在惰性气体氛围中烧结3～5小时，且在烧结过程中保持所述惰性气体氛围不变，以得到所述氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
在可选的实施方式中，所述将所述聚合物在惰性气体氛围中烧结3～5小时的步骤还包括：
将所述聚合物放置于具有惰性气体氛围的管式炉中以600～700℃的温度烧结3～5小时。
在可选的实施方式中，所述惰性气体为氮气。
第二方面，本发明提供一种正极材料，由前述实施方式任一项所述的高镍三元正极材料的制备方法所制得。
第三方面，本发明提供一种电池，包括正极，所述正极由前述实施方式所述的正极材料制成。
本发明实施例的高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池的有益效果包括：通过在反应基液中进行吡咯聚合并使其均匀地包覆在三元材料表面，并在惰性气体氛围下进行结烧以碳化成氮掺杂的碳包覆层，其包覆效果好且包覆更加均匀，可有效提高提升包覆层的电导率，从而提高电池的倍率性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的高镍三元正极材料的制备方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的倍率性能示意图；
图3为本发明实施例提供的碳包覆样品SEM示意图1；
图4为本发明实施例提供的碳包覆样品SEM示意图2。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种高镍三元正极材料的制备方法，用于制备电池的正极材料，本发明实施例提供的高镍三元正极材料的制备方法可以使得氮掺杂的碳源更均匀地包覆在高镍三元材料的表面，从而有效地提升包覆层的电子电导率，进而提升电池的倍率性能。
值得一提的是，虽然高镍三元材料广泛应用于制造电池正极材料，但尤其电导率较差，因此通常会在高镍三元正极材料的表面进行碳包覆以改善其倍率性能，然而现有的碳包覆工艺(例如干法碳混合烧结)的碳包覆层通常不均匀，会降低电池的性能。因此本发明实施例针对现有技术中所存在的碳包覆层不均匀的问题，提出了湿法碳包覆的工艺，通过在反应基液中进行吡咯聚合并使其均匀地包覆在三元材料表面，并在氮气氛围的作用下碳化成氮掺杂的碳包覆层，包覆效果好且包覆更加均匀，可有效提高提升包覆层的电导率，从而提高电池的倍率性能。
高镍三元正极材料的制备方法包括以下步骤：
S100，制备反应基液，反应基液中包括高镍三元材料。
在步骤S100中，制备反应基液的步骤包括：
向水和乙醇溶液中添加高镍三元材料并搅拌均匀，再添加氧化剂以制得反应基液。
在本实施例中，水和乙醇的混合溶液为高镍三元材料和吡咯单体发生聚合反应的介质，且吡咯单体易溶于乙醇，因此在高镍三元材料加入到水和乙醇的混合溶液中并搅拌均匀，有助于后续反应更充分，确保碳包覆更均匀。
可选地，氧化剂为过硫酸铵，当然，氧化剂也可以为三价铁离子溶液或其他具有强氧化性的溶液，在此不做具体限定。
S200，向反应基液中添加吡咯单体，使其发生吡咯聚合反应并得到聚合物。
在本实施例中，吡咯单体加入反应基液后在氧化剂的作用下发生吡咯聚合，形成的聚吡咯均匀地包覆在高镍三元材料的表面，以此形成聚吡咯包覆高镍三元材料的固态聚合物。
进一步地，在向反应基液中添加吡咯单体之后，搅拌添加有吡咯单体的反应基液3～5小时。
在本实施例中，可在加入反应基液的同时进行搅拌，也可在完成加入反应基液后进行搅拌，通常需要缓慢搅拌3～5小时，以使聚合反应更加充分，并使得聚吡咯分布更均匀，从而使得形成的聚吡咯更均匀地包覆在高镍三元材料的表面，因此实现了包覆效果更均匀，并使得电池的倍率性能得到较大提升。此外，缓慢搅拌3～5小时可保证聚吡咯完全包覆于高镍三元材料，避免出现仅有部分高镍三元材料包覆有聚吡咯的情况。
进一步地，在搅拌添加有吡咯单体的反应基液3～5小时的步骤之后，将搅拌后的溶液中的聚合物进行过滤、冲洗以及干燥。
在本实施例中，完成搅拌后通过过滤筛选出聚合物，再对聚合物进行冲洗以祛除聚合物之间存留的反应溶液以及其他杂质，防止反应溶液或杂质影响后续反应，最后干燥聚合物，以祛除水分。
S300，对生成的聚合物进行烧结以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
在本实施例中，将聚合物在惰性气体氛围中烧结3～5小时，且在烧结过程中保持惰性气体氛围不变，以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
具体地，惰性气体为氮气，将干燥后的聚合物放置于具有氮气氛围的管式炉中，并以600～700℃的温度烧结3～5小时，在烧结过程中保持氮气氛围不变，完成烧结后，即可得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
请结合参阅图2至图4，图2为本发明提供的不同样品的倍率曲线图，其纵坐标表示容量，单位为mAh/g；横坐标表示循环次数。普通样品为进行普通碳包覆的样品，碳包覆样品为通过高镍三元正极材料的制备方法制得的样品。图3和图4为对碳包覆样品进行的电子显微扫描图，由图3和图4可以看到，氮掺杂的碳均匀地包覆于高镍三元正极材料的表面，结合图2至图4可知，多组碳包覆样品的容量均比普通样品的容量高，说明碳包覆样品在不同的电流密度下的容量均高于普通样品的容量，从而体现出碳包覆样品的倍率性能更好。
本发明实施例还提供了一种正极材料，正极材料利用如前述实施方式的高镍三元正极材料的制备方法制造而成。
本发明实施例还提供了一种电池，可应用于储能设备、新能源汽车及电动装置等多个领域。电池包括正极，正极由上述实施方式中的正极材料制成。
综上所述，本发明实施例提供的高镍三元正极材料的制备方法、正极材料及电池，其制备方法通过在反应基液中进行吡咯聚合并使其均匀地包覆在三元材料表面，并在氮气氛围的作用下碳化成氮掺杂的碳包覆层，包覆效果好且包覆更加均匀，可有效提高提升包覆层的电导率，从而提高电池的倍率性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备反应基液，所述反应基液中包括高镍三元材料；
向所述反应基液中添加吡咯单体，使其发生吡咯聚合反应并得到聚合物；
对生成的所述聚合物进行烧结以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
2.根据权利要求1所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备反应基液的步骤包括：
向水和乙醇溶液中添加所述高镍三元材料并搅拌均匀，再添加氧化剂以制得所述反应基液。
3.根据权利要求2所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述氧化剂为过硫酸铵。
4.根据权利要求1所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述向所述反应基液中添加吡咯单体，使其发生吡咯聚合反应并得到聚合物的步骤之后，还包括：
搅拌添加有所述吡咯单体的所述反应基液3～5小时。
5.根据权利要求4所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌添加有所述吡咯单体的所述反应基液3～5小时的步骤之后，还包括：
将搅拌后的溶液中的所述聚合物进行过滤、冲洗以及干燥。
6.根据权利要求1所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述对发生所述聚合物进行烧结以得到氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料的步骤包括：
将所述聚合物在惰性气体氛围中烧结3～5小时，且在烧结过程中保持所述惰性气体氛围不变，以得到所述氮掺杂的碳包覆的高镍三元正极材料。
7.根据权利要求6所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述将所述聚合物在惰性气体氛围中烧结3～5小时的步骤还包括：
将所述聚合物放置于具有惰性气体氛围的管式炉中以600～700℃的温度烧结3～5小时。
8.根据权利要求6所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。
9.一种正极材料，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的高镍三元正极材料的制备方法所制得。
10.一种电池，其特征在于，包括正极，所述正极由权利要求9所述的正极材料制成。
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