CN110233244A - 一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,提出使用由含氟锂盐组成的有机溶液对正极材料颗粒进行稳定化处理,在表面的残碱去除的同时,在颗粒表面原位生成了以LiF无机物为主要成分的复合包覆层。由于LiF具有高化学稳定性以及在酯基溶液中的低溶解性,显著提升正极材料表面的化学稳定性,抑制了材料表面的相转变及过渡金属元素的溶解流失。本发明方法简单,易工程化应用,对正极的处理无须额外新工序,直接引入到正极材料的混浆工艺环节,调控高镍三元正极材料颗粒的表面稳定性,显著提高材料倍率性能和循环寿命。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池正极材料制备的技术领域,特别涉及一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法。
背景技术
高镍三元正极材料以其相对较低的成本和较高的能量密度,成为高能量密度动力电池体系的首选体系,受到了广泛关注。但是,材料中镍含量的增加以及烧结过程加入过量锂源防止锂挥发造成的离子混排,从而导致高镍三元材料表面锂含量高。同时,材料在贮存过程中表面残碱与空气中的水及CO2进一步反应生成Li2O和Li2CO3等物质,这些物质会在电池循环过程中和电解液发生一系列副反应,消耗电解液并在表面产生成分复杂且厚度不均一的CEI膜,降低材料界面的活性,导致电化学性能恶化,限制了高镍三元正极材料的实际应用。
目前,对高镍三元正极材料广泛采用表面包覆的方法进行改善,通过辅助烧结工艺促进包覆材料均匀分布于正极颗粒的表面,减少活性材料与电解液的接触面积,提高界面稳定性。专利CN 105938901 A和专利CN 104995769 A中采用氧化物干法包覆高镍层状正极材料,提高了循环稳定性。但是,干法包覆得到的包覆层无法均匀分布于材料表面,且包覆层和正极材料之间的固固界面阻碍了锂离子的扩散,同时后续极片和电池加工过程以及长期循环过程中可能会导致包覆层脱落。专利CN 108682822 A通过湿法将高镍三元材料和预包覆物混合,并在氧气气氛下煅烧,材料的循环稳定性提高。但是,湿法包覆的工艺复杂,容易造成材料体相锂的流失而导致比容量降低,而且生产周期较长,工业化生产中需要增加额外的生产设备,增加了生产成本,工业化应用成本高。专利CN 108232283 A提出采用正极浆料添加剂对正极材料改性,利用了含氟烷基的疏水性以及其弱酸性,去除了材料表面残碱,但是含氟烷基添加剂并没有结合表面残碱生成新物质,更没有形成稳定的包覆层进一步发挥效用。薄且均匀、牢固稳定的颗粒表面包覆层对于提高高镍三元正极材料长期循环条件下的界面稳定性举足轻重,同时高镍三元正极材料在高能量密度动力电池的推广应要求,亟待开发简便、可操作性强的工艺,因此有必要进一步研发新技术。
发明内容
本发明针对高镍三元正极材料表面残碱含量高,制浆涂覆加工困难,且在电池循环过程中这些残余物易与电解液发生一系列副反应,而造成电解液的耗损的同时生成成分复杂的CEI膜,导致循环性能较差等问题,提供一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,简化高镍三元正极材料表面包覆工艺,促进颗粒表面包覆层的均匀分布。同时,协助高镍三元正极材料表面形成高锂离子导电率的包覆层,在去除残碱稳定结构的基础上进一步提高高镍三元正极材料的电化学性能。
本发明一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法包含以下步骤:
(1)将含氟锂盐溶解在有机溶剂中充分搅拌,配置成浓度为0.08-1.2mol/L的含氟锂盐溶液;
(2)将步骤(1)得到的含氟锂盐溶液加入到高镍三元材料极片制备过程的浆料中,其中,含氟锂盐与浆料中三元正极材料的重量比为0.01-3:100,在一定温度下,充分搅拌后,将制得的复合浆料涂覆到铝箔上;
(3)将涂覆完成的铝箔放入鼓风干燥箱中,进行干燥,即完成对高镍三元正极材料表面稳定化的处理。
所述高镍三元正极材料是LiNixCoyMn1-x-yO2,其中0.6≤x≤0.95,0≤y≤0.2。
所述含氟锂盐为LiPF6、LiBF4、LiTFSI、LiFSI、LiTf、LiDOFB中的至少一种。
所述有机溶剂为γ-丁内酯,四乙二醇二甲醚,N-甲基吡咯烷酮,二甲亚砜,碳酸乙烯脂,碳酸丙烯酯,碳酸二乙酯,碳酸二甲酯,碳酸甲基乙基酯中的至少一种。
所述步骤(1)中的搅拌时间为2.5-25h。
所述步骤(2)中的温度控制在20-40℃,搅拌速率控制在300-600转/秒,搅拌时间为0.8-8h。
所述步骤(3)的干燥温度控制在60-100℃,干燥时间为0.4-2.5h。
本发明具有以下优点:
本发明提供的高镍三元正极材料表面稳定化的方法,工艺实施较为简单,且不包含二次烧结过程,不需要增加额外的生产设备和工序。避免了二次烧结时气氛和温度对高镍三元材料表面的破坏。
本发明在处理过程中,高镍三元正极材料表面残余的LiOH、Li2CO3和Li2O与所加入的含有F元素的锂盐溶液反应,消除了表面残碱,同时在原有残碱的位置原位生成了LiF和含有所用锂盐阴离子的复合包覆层。首先,本发明提出的高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法不仅去除了表面残碱,其所生成包覆层致密且均匀,能够有效隔离表面高价态Ni和电解液的反应,限制过渡金属溶出。同时,原位生成的LiF包覆层还能为锂离子的传输提供稳定的迁移通道,而且薄且均匀的包覆层牢固的贴合在正极颗粒表面,表面的稳定性得到显著提高,这使得本发明可以用来处理固态电池正极材料。专利CN 108232283 A中也通过浆料添加剂实现了对电池性能的提升,然而其含氟烷基添加剂并没有发生反应生成新物质,只是利用了含氟烷基的疏水性和弱酸添加剂,单纯去除表面残碱,而没有结合表面残碱形成稳定的包覆层。本发明提出的高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法发挥了协同效应、从多角度共同提升高镍三元正极材料的循环稳定性、倍率性能等综合电化学性能和安全性。本发明提出的高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法对产品的综合性能改善效果更显著。
附图说明
图1为实施例1处理的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2高镍三元正极材料的循环测试图对比图。
图2为实施例1处理的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2高镍三元正极材料的倍率性能测试的对比图。
图3为实施例2处理的LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2高镍三元正极材料的循环400圈后的交流阻抗测试的对比图。
图4为实施例3处理的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2高镍三元正极材料的循环性能测试的对比图。
图5为实施例4处理的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极材料的XRD对比图。
图6为实施例4处理的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极材料的碱性杂质含量对比图。
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,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1:
采用含氟锂盐对高镍三元正极LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2进行表面稳定化处理;
其方法步骤为:
(1)将LiBF4溶解在碳酸二乙酯中,充分搅拌6小时,配置成浓度为0.5mol/L的溶液;
(2)在制备高镍三元正极LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料的浆料过程中,将步骤(1)中的溶液加入LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2浆料中,其中,含氟锂盐与浆料中三元正极材料的重量比为0.18:100,在40℃下,以500转/秒的搅拌速度搅拌2小时后,将制得的浆料涂覆到铝箔上;
(3)将涂覆完成的铝箔放入鼓风干燥箱中,以95℃干燥1小时,即完成对高镍三元正极材料表面稳定化的处理。
图1为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的循环测试图对比图,经过本发明表面进行稳定化处理后的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料的循环稳定性有了明显提升。
图2为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的倍率测试图对比图,经过本发明表面进行稳定化处理后的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料的循环稳定性有了明显提升。
实施例2:
采用含氟锂盐对高镍三元正极LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2进行表面稳定化处理;
其方法步骤为:
(1)将LiTf溶解在γ-丁内酯中,充分搅拌3.5小时,配置成浓度为0.55mol/L的溶液;
(2)在制备高镍三元正极LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2材料的浆料过程中,将步骤(1)中的溶液加入LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2浆料中,其中,含氟锂盐与浆料中三元正极材料的重量比为1.2:100,在35℃下,以400转/秒的搅拌速度搅拌4.5小时后,将制得的浆料涂覆到铝箔上;
(3)将涂覆完成的铝箔放入鼓风干燥箱中,以70℃干燥1.5小时,即完成对高镍三元正极材料表面稳定化的处理。
图3为LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2的循环400圈后的交流阻抗测试图对比图,经过本发明表面进行稳定化处理后的LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2材料的阻抗明显减小。
实施例3:
采用含氟锂盐对高镍三元正极LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2进行表面稳定化处理;
其方法步骤为:
(1)将LiFSI溶解在碳酸丙烯酯中,充分搅拌8.5小时,配置成浓度为0.7mol/L的溶液;
(2)在制备高镍三元正极LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的浆料过程中,将步骤(1)中的溶液加入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2浆料中,其中,含氟锂盐与浆料中三元正极材料的重量比为0.2:100,在37℃下,以450转/秒的搅拌速度搅拌1.5小时后,将制得的浆料涂覆到铝箔上;
(3)将涂覆完成的铝箔放入鼓风干燥箱中,以75℃干燥1.5小时,即完成对高镍三元正极材料表面稳定化的处理。
图4为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的循环测试图对比图,经过本发明表面进行稳定化处理后的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的循环稳定性有了明显提升。
实施例4:
采用含氟锂盐对高镍三元正极LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2进行表面稳定化处理;
其方法步骤为:
(1)将LiFSI溶解在碳酸二乙酯中,充分搅拌12小时,配置成浓度为1.1mol/L的溶液;
(2)在制备高镍三元正极LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2材料的浆料过程中,将步骤(1)中的溶液加入LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2浆料中,其中,含氟锂盐与浆料中三元正极材料的重量比为2.5:100,在25℃下,以350转/秒的搅拌速度搅拌3.5小时后,将制得的浆料涂覆到铝箔上;
(3)将涂覆完成的铝箔放入鼓风干燥箱中,以85℃干燥2小时,即完成对高镍三元正极材料表面稳定化的处理。
图5为LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2的XRD对比图,经过本发明进行稳定化处理后的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2材料的表面出现对应LiF相的衍射峰。
图6为实施例4处理的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极表面进行稳定化处理后与处理前的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极材料的碱性杂质含量对比图,说明通过本发明提出的表面稳定化处理后,LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2高镍三元正极表面的残碱显著降低,抑制了循环过程中材料界面的副反应,明显提高了界面稳定性和循环稳定性。
Claims (7)
1.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)将含氟锂盐溶解在有机溶剂中充分搅拌,配置成浓度为0.08-1.2mol/L的含氟锂盐溶液;
(2)将步骤(1)得到的含氟锂盐溶液加入到高镍三元材料极片制备过程的浆料中,其中,含氟锂盐与浆料中三元正极材料的重量比为0.01-3:100,在一定温度下,充分搅拌后,将制得的复合浆料涂覆到铝箔上;
(3)将涂覆完成的铝箔放入鼓风干燥箱中,进行干燥,即完成对高镍三元正极材料表面稳定化的处理。
2.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,所述高镍三元正极材料是LiNixCoyMn1-x-yO2,其中0.6≤x≤0.95,0≤y≤0.2。
3.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,所述含氟锂盐为LiPF6、LiBF4、LiTFSI、LiFSI、LiTf、LiDOFB中的至少一种。
4.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,所述有机溶剂为γ-丁内酯,四乙二醇二甲醚,N-甲基吡咯烷酮,二甲亚砜,碳酸乙烯脂,碳酸丙烯酯,碳酸二乙酯,碳酸二甲酯,碳酸甲基乙基酯中的至少一种。
5.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,所述步骤(1)中的搅拌时间为2.5-25h。
6.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,所述步骤(2)中的温度控制在20-40℃,搅拌速率控制在300-600转/秒,搅拌时间为0.8-8h。
7.一种高镍三元正极材料颗粒表面稳定化处理方法,其特征在于,所述步骤(3)的干燥温度控制在60-100℃,干燥时间为0.4-2.5h。
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