具有“年轮”式结构的锂金属氧化物前驱体材料和该材料制备的正极材料及制备方法和应用_3

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流,循环此操作,直至反应到T时间,停止进料并关闭加热装置使反应器自然降温,以500r/min-1000r/min继续搅拌,至反应体系的温度降为室温,制得具有“年轮”式结构的高性能锂金属氧化物前驱体材料;
[0052]所述混合金属盐中镍盐为硫酸镍、硝酸镍、醋酸镍、氯化镍中的一种或其中几种的混合物;钴盐为硫酸钴、硝酸钴、醋酸钴、氯化钴中的一种或其中几种的混合物;锰盐为硫酸锰、硝酸锰、醋酸锰、氯化锰中的一种或其中几种的混合物;所述Μ盐为可溶性硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐、氯化盐、柠檬酸盐、醇盐中的一种或其中几种的混合物;
[0053]所述络合剂水溶液中的络合剂为氨水、氯化铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵、醋酸铵、m)TA、柠檬酸铵、乙二胺、乙酸、氟化钠、酒石酸、马来酸、琥珀酸、柠檬酸、丙二酸中的一种或其中几种的混合物。
[0054]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】三不同的是,对于NixCOyMnJV^ x y z(0H)2材料,所述沉淀剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或其中几种的混合物;对于NixCOyMnA x y ZC03材料,所述沉淀剂为碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂中的一种或其中几种的混合物。其他步骤与参数与【具体实施方式】三相同。
[0055]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】三不同的是,所述混合金属盐溶液al、沉淀剂水溶液bl、络合剂水溶液cl以1:1: (0.1?5)的进料速率比注入连续搅拌液相反应器中。其他步骤与参数与【具体实施方式】三相同。
[0056]【具体实施方式】六:本实施方式使用上述锂金属氧化物前驱体材料合成具有“年轮”式结构的锂金属氧化物正极材料,为由锂金属氧化物前驱体材料与锂源均匀混合烧结制备而成的 xLi2Mn03.(l-xjLiM^ 材料,0 ^ x ^ Ι,Μ^ N1、Co、Μη、Zr、Fe、Sm、Pr、Nb、Ga、Zn、Y、Mg、Al、Cr、Ca、Na、T1、Cu、K、Sr、Mo、Ba、Ce、Sn、Sb、La、Bi 中的一种或几种;其断面呈“年轮”式排布结构;所述锂金属氧化物前驱体材料为NixCc^MnA x y z(0H)2S Nix
y ZC〇30
[0057]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】六不同的是,所述锂源为氢氧化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、氟化锂、草酸锂、磷酸锂、磷酸氢锂、碳酸锂中的一种或其中几种的混合物。其他步骤与参数与【具体实施方式】六相同。
[0058]【具体实施方式】八:本实施方式使用上述锂金属氧化物前驱体材料合成具有“年轮”式结构的锂金属氧化物正极材料的制备方法,按以下步骤制备:将具有“年轮”式结构的高性能锂金属氧化物前驱体材料与锂源按照摩尔比1: (1?1.25)混合均匀,在纯氧或空气气氛下,500°C?1000°C下烧结lh?45h,振动过筛后,得到“年轮”式结构的xLi2Mn03.(1-χ)LiMA材料,其中 0 彡 X 彡 LMiSNi'Co'MrKZr'Fe'SnKPr'Nb'Ga'ZruY'Mg'AUCr'Ca、Na、T1、Cu、K、Sr、Mo、Ba、Ce、Sn、Sb、La、Bi 中的一种或几种。
[0059]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】八不同的是,所述锂源为氢氧化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、氟化锂、草酸锂、磷酸锂、磷酸氢锂、碳酸锂中的一种或其中几种的混合物。其他步骤与参数与【具体实施方式】八相同。
[0060]【具体实施方式】十:如【具体实施方式】七制备的具有“年轮”式结构的锂离子电池用锂金属氧化物正极材料的应用,该正极材料与负极、隔膜和电解质等组成锂离子电池。
[0061]实施例1
[0062]配制摩尔比为Mn:Co:Ni = 4:1:1且总浓度为2mol/L的硫酸镍、硫酸猛、硫酸钴金属盐溶液,0.3mol/L的络合剂硫酸铵溶液,2mol/L的沉淀剂碳酸钠溶液。将络合剂溶液、去离子水按照1:10的摩尔比共800ml溶液加入反应釜中,作为零时刻的反应底液;将金属盐溶液、0.3mol/L的络合剂氨水溶液及2mol/L的沉淀剂碳酸钠溶液以一定速率比(1:1:1)加入高速搅拌(转速900r/min)的反应釜中,控制整个反应体系的pH在8.5±0.3,温度控制在50 °C,当反应进行3h后,降低转速至700r/min ;继续反应至4h时,进行溢流,溢流液体量为3-4h这段时间内的进液量;继续反应并按照相同的工艺条件溢流,反应至15h后,停止进料并关闭加热装置使反应器自然降温,以700r/min继续搅拌反应3h至反应器温度降为室温,制得具有“年轮”式结构的高性能锂金属氧化物前驱体Mn2/3Ni1/6Co1/6C(M^4 ;材料经清洗、过滤除去材料中的可溶性杂质后,得到Mn2/3Ni1/6Co1/6C03,在真空气氛下烘干材料,将干燥材料在空气气氛下600°C预烧6h后,所得材料与氢氧化锂以1:1.1的摩尔比混合,在纯氧气氛下,900°C烧结30h,得到ΙΑ.2Μηα54Ν?α 13Coai302粉末,该材料一次颗粒呈“年轮”式逐层堆积,且化学组分在任意位置都一致。
[0063]经测试,该前驱体材料的中位粒径D50为12.56 μ m,粒径分布均匀,混锂烧结后得到具有“年轮”式结构的锂金属氧化物正极材料,对此正极材料进行电化学性能测试,在30mA/g的电流密度下首次放电比容量为252mAh/g,首次库伦效率81%,150mA/g比容量为207mAh/g,300mA/g 比容量 184mAh/g,循环 200 次保持率 94.7%。
[0064]由图1、图2可以看出,本实施例制备出了“年轮”式结构的锂金属氧化物材料。
[0065]由图3可以看出,本实施例制备出的“年轮”式结构的锂金属氧化物材料,金属元素分布均匀。
[0066]由图4和图5的XRD测试可以得出,本实施例合成的锂金属氧化物材料具备良好的层状特性,并且具有超晶格结构。
[0067]由图6的锂金属氧化物材料0.1C首次充放电曲线结果显示,本实施例合成的材料首次容量和库伦效率都较高,且有明显的4.5V特征平台;
[0068]图7的倍率曲线表明,本实施例合成的锂金属氧化物材料具备优异的倍率性能;
[0069]图8的1C循环性能曲线表明,本实施例合成的材料循环性能优异,循环200次后容量保持率为94%。
[0070]实施例2
[0071]配制摩尔比为Mn:Co:Ni = 4:1:1且总浓度为2mol/L的硫酸镍、硫酸猛、硫酸钴金属盐溶液,0.3mol/L的络合剂硫酸铵溶液,2mol/L的沉淀剂碳酸钠溶液。将络合剂溶液、去离子水按照1:10的摩尔比共800ml溶液加入反应釜中,作为零时刻的反应底液;将金属盐溶液、0.3mol/L的络合剂氨水溶液及2mol/L的沉淀剂碳酸钠溶液以一定速率比(1:1:2)加入高速搅拌(转速900r/min)的反应釜中,控制整个反应体系的pH在8.5±0.3,温度控制在50°C,当反应进行3h后,降低转速,将反应器内溶液通过溢流管溢流至反应平台稳定,溢流后恢复转速;继续反应至4h时,进行溢流,溢流方式相同,此次溢流液体量为3-4h这段时间内的进液量;继续反应并按照相同的工艺条件溢流,反应至15h后,停止进料并关闭加热装置使反应器自然降温,以700r/min继续搅拌反应3h至反应器温度降为室温,制得具有元素分布均匀、“年轮”式核壳结构的高性能锂金属氧化物前驱体Mn2/3Ni1/6Co1/6 (0H) 2材料;经清洗、过滤除去材料中的可溶性杂质后,得到Mn2/3Ni1/6Co1/6(0H)2,在真空气氛下烘干材料,将干燥材料在空气气氛下600°C预烧6h后,所得材料与氢氧化锂以1:1.1的摩尔比混合,在纯氧气氛下,900 °C烧结30h,得到1^.鄭。.54附。.130)。.1302粉末。
[0072]经测试结果表明:首次库伦效率80.5%,首次放电比容量247.9mAh/g。该材料一次颗粒呈“年轮”式逐层堆积,且化学组分在任意位置都一致,粒径大小、首次效率和首次放电容量均与实施例1中合成的“年轮”式锂金属氧化物正极材料相近。
[0073]对比例1
[0074]本对比例与实施例1的区别在于:不采用间歇式等量溢流方式,而是采用传统的在线溢流方式;配制摩尔比为Mn:Co:Ni = 4:1:1且总浓度为2mol/L的硫酸镍、硫酸猛、硫酸钴金属盐溶液,0.3mol/L的络合剂硫酸铵溶液,2mol/L的沉淀剂碳酸钠溶液。将络合剂溶液、去离子水按照1: 10的摩尔比共800ml溶液加入反应釜中,作为零时刻的反应底液;将金属盐溶液、0.3mol/
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