一种镍酸锂正极材料的取代掺杂改性方法

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料领域，特别涉及一种元素化学取代共掺杂，改进镍酸锂正极材料电化学性能的方法。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、环境友好等优点，在日用电子产品中已经得到广泛应用。随着全球电动汽车和可再生能源产业的快速发展，锂离子电池的市场需求正在迅猛增长。目前，商业化的动力和储能用锂离子电池主要为镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池。其中，磷酸铁锂电池的能量密度较低(100～160Wh/kg)，主要适用于电动自行车、小微电动车、电动公交车等短程车型；三元锂电池具有160～250Wh/kg高能量密度，能够满足高速公路和城际长续航使用，是紧凑型、中型和高端乘用车的首选动力电源，并且能够更好地满足新能源汽车电动化、智能化、网联化和共享化发展需求。

锂离子电池的传统正极材料是α-NaFeO

发明内容

本发明的目的在于以镍酸锂为基体，用少量非钴、非锰化学元素部分取代镍，以获得比容量高，电化学性能良好的镍酸锂基正极材料。与一般三元正极材料或高镍正极材料相比，本发明不使用钴元素是为了降低材料的原料成本和提高其环镜友好性；不使用锰元素是为了避免其在电解液中发生溶解行为。同时，为了减轻或消除单种化学元素掺杂存在的不足之处，并考虑到资源丰富、价格低廉、环境友好等因素，本发明用铝、钛两种化学元素协同取代镍酸锂中的少量镍元素，获得了具有比容量高、循环性能稳定、倍率性能好、成本低、环境友好等特征的新型镍酸锂基负极材料。具体步骤如下：

(1)按LiNi

(2)将步骤(1)制备的前驱体粉末盛于瓷方舟中，在电热板上于200～400℃下加热预氧化，待氧化完全后冷却至室温，用玛瑙研钵研磨5～10min，盛于刚玉瓷舟中并置于管式炉内，控制氧气或空气流量为5～50L/min，以5～10℃/min升温速率加热至500～850℃，保温8～30h，随炉降温至50℃左右，出料，研磨，得到掺杂改性镍酸锂正极材料。

所述镍酸锂正极材料的取代掺杂改性方法为，用少量铝、钛元素协同取代镍元素，以改善镍酸锂电极材料的电化学性能。

所述取代掺杂镍酸锂正极材料的实验化学式为LiNi

所述化学元素协同掺杂前驱体不限于用步骤(1)制备的前驱体干凝胶粉末，用锂、镍、铝、钛四种元素的化合物的水溶液、固体颗粒分散制备的共沉淀化合物，或四种元素的化合物(如碳酸盐、氧化物、氢氧化物、有机酸盐等)的均匀混合物，也同样适用于本发明。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得的系列铝、钛掺杂镍酸锂材料的XRD谱。

图2为本发明实施例1所制得的系列铝、钛掺杂镍酸锂材料的首次充放电曲线。

图3为本发明实施例1所制得的系列铝、钛掺杂镍酸锂材料的充放电循环次数与比容量关系图。

图4为本发明实施例1所制得的系列铝、钛掺杂镍酸锂材料的电流倍率与比容量关系图。

具体实施方式

实施例1：

以下步骤和过程中所使用的化学试剂或原料均为分析纯或电池级。

(1)称取0.3999g碳酸锂(Li

(2)将步骤(1)所得混合液在90℃下加热、搅拌至形成均匀、粘稠的胶状物，转入预先加热至150℃的鼓风干燥箱中，恒温干燥至形成脆性干凝胶，用玛瑙研钵快速研磨5min，得到干凝胶前驱体。

(3)将步骤(2)所得干凝胶前驱体粉末盛于瓷方舟中，在空气中置于约350℃的电热板上加热预氧化，待有机物氧化分解完全后冷却至室温，用玛瑙研钵研磨10min，盛于刚玉瓷舟中并置于管式炉内，控制氧气流量为10L/min，以5℃/min升温速率加热至750℃，保温18h，随炉降温至50℃，出料，研磨，得到掺杂改性镍酸锂正极材料LiNi

(4)按上述步骤(1)至(3)，改变氢氧化铝和钛酸四丁酯的加入量，制备系列铝、钛取代掺杂镍酸锂样品，其实验化学计量式(简写式)分别为LiNiO

(5)按上述步骤(1)至(4)制备的系列铝、钛取代掺杂镍酸锂样品的X-射线衍射(XRD)测试结果参见说明书附图1。所有样品的XRD图谱均与编号为PDF#09-0063的标准卡对应，表明制备的样品均具有α-NaFeO

(6)按8:1:1质量比，分别将上述系列铝、钛取代掺杂镍酸锂样品0.2000g与聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂0.0250g、乙炔黑导电剂0.0250g在玛瑙研钵中手工研磨混合均匀，加入1.5mL氮甲基吡咯烷酮(NMP)，继续研磨20min，用涂布器涂布于铝箔集电极上，在真空干燥箱中于105℃下干燥12h以上，冲片，称重，得到待测试极片。以待测试极片作为研究电极，金属锂片作为参比电极和对电极，以1mol/L LiPF

表1系列铝、钛取代掺杂镍酸锂样品的0.1C倍率首次充放电性能

表2系列铝、钛取代掺杂镍酸锂样品的1C倍率300圈充放电循环性能

表3系列铝、钛取代掺杂镍酸锂样品的倍率性能(比容量单位：mAh/g)