層狀鋰?錳?鎳?鈷氧化物材料的制備制造技術

一種用于制備層狀鋰?錳?鎳?鈷氧化物材料的方法，包括制備未加工的層狀鋰?錳?鎳?鈷氧化物(LMNC)材料。可選地，在該未加工的層狀LMNC材料的制備過程中，當該層狀LMNC材料用作電化學電池中的陰極材料時，采用能夠提高該層狀LMNC材料的性能的摻雜劑。在對該未加工的層狀LMNC材料實施退火前，對其進行微波處理。對得到的處理后的材料進行退火，以獲得該層狀LMNC材料。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】本專利技術涉及層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料的制備。具體涉及用于制備適合用作鋰離子電化學電池中的陰極材料的層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料的方法，以及采用層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料的電化學電池。隨著世界人口迅速增長，能源需求不斷增加，化石燃料日益耗盡，致使全球變暖，能源危機突顯。為了解決這些問題，致力于鋰離子電池研究并用于能源儲存的能量轉換技術走在了時代前沿。眾所周知，層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料可以用作鋰離子電化學電池中的陰極材料；然而，這些已知材料用作陰極材料時，仍存在容量、倍率性能以及容量保持率/循環性能不足等限制。因此，本專利技術的目的是提供一種用于制備層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料的方法，當該層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料用作鋰離子電化學電池中的陰極材料時，能提高性能。因此，本專利技術的第一方面提供一種用于制備層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料的方法，包括：制備未加工的層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物(LMNC)材料；可選地，在所述未加工的層狀LMNC材料的制備過程中，當所述層狀LMNC材料用作電化學電池中的陰極材料時，采用能夠提高所述層狀LMNC材料的性能的摻雜劑；在對所述未加工的層狀LMNC材料實施退火前，對其進行微波處理，以獲得處理后的材料；以及對所述處理后的材料進行退火，以獲得所述層狀LMNC材料。該方法的特征在于，所述未加工的層狀LMNC材料的制備不包括任何高于600℃溫度下的熱處理，優選地，不超過550℃，最優選地，不超過500℃。具體地，所述未加工的層狀LMNC材料的制備不涉及微波處理前可能使該材料退火的熱處理。所述未加工的層狀LMNC材料的制備可以包括不超過600℃溫度下的熱處理，優選地，不超過550℃，通常不超過500℃。當不存在摻雜劑時，層狀LMNC材料可以是Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2、Li[Ni0.33Mn0.33Co0.33]O2(也稱為“NMC-333”)、Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2(也稱為“NMC-442”)等。通常，層狀LMNC材料可以是Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2。未加工的層狀LMNC材料至少理論上可以通過任何合適的工藝或方法制成，例如改良的Pechini法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。然而，未加工的層狀LMNC材料的制備通常可以采用改良的一步粉末成型Pechini法。因此，所述未加工的層狀LMNC材料的制備的實施可以通過：將包括溶解的鋰化合物、溶解的錳化合物、溶解的鎳化合物、溶解的鈷化合物，可選地，溶解的摻雜劑化合物、羥基羧酸、聚羥基醇的溶液保持在高溫T1下，直到所述溶液形成凝膠，其中T1低于所述溶液的沸點；將所述凝膠保持在高溫下，直到其著火并燃燒形成Li--Mn--Ni--Co--O粉末；以及煅燒所述Li--Mn--Ni--Co--O粉末，以將粉末中的碳和/或其他雜質燃燒盡，從而獲得所述未加工的層狀LMNC材料。該方法可以包括制作鋰化合物、錳化合物、鎳化合物、鈷化合物，可選地，溶解的摻雜劑化合物、羥基羧酸、聚羥基醇的溶液。溶液的制作可以包括將溶劑中溶解的鋰化合物的溶液、溶劑中溶解的錳化合物的溶液、溶劑中溶解的鎳化合物的溶液、溶劑中溶解的鈷化合物的溶液，可選地，溶劑中溶解的摻雜劑化合物的溶液、羥基羧酸、聚羥基醇混合在一起。最初，鋰化合物、錳化合物、鎳化合物、鈷化合物，以及可選地，摻雜劑化合物中的每一種化合物可以是各自溶解的單獨溶液，優選地，它們全部溶解在同一種溶劑中，然后，包括溶解的鋰、錳、鎳、鈷，可選地，摻雜劑、化合物的單一溶液與羥基羧酸和聚羥基醇混合。優選地，鋰、錳、鎳、鈷化合物是溶于水的，因此，水，優選地去離子水可以用作該溶液的溶劑。因此，具體地，可以使用鋰、錳、鎳、鈷的硝酸鹽，即可以使用LiNO3、Mn(NO3)2(具體為Mn(NO3)2.4H2O)、Ni(NO3)2(具體為Ni(NO3)2.6H2O)以及Co(NO3)2(具體為Co(NO3)2.6H2O)。因此，該溶液中可以包含LiNO3、Mn(NO3)2.4H2O、Ni(NO3)2.6H2O以及Co(NO3)2.6H2O的必要化學計量，以得到可作為最終產品的Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2。當上文所述的摻雜劑出現時，被選擇用以提高生成的層狀LMNC材料的電化學性能，具體如穩定性。該摻雜劑可以是元素周期表中IIA、IIIA或IVA族中的元素。更具體地，該摻雜劑可以是鋁、鍺或鎂；但是，優選地，該摻雜劑可以是元素周期表中IIIA族中的元素，具體如鋁。因此，這類摻雜劑化合物也是溶于水的，可以是硝酸鋁，例如AlN3O9.9H2O。當出現該摻雜劑時，最終產品將是層狀鋰-錳-鎳-鈷-鋁氧化物(LMNCA)材料。具體地，最終產品可以是Li[Li0.2Mn0.52Ni0.13Co0.13Al0.02]O2。優選地，采用摻雜劑和微波處理均可實施。金屬化合物，即鋰、錳、鎳、鈷化合物，除了硝酸鹽以外，可以替換為任意其他金屬鹽(由弱酸和強酸衍生的，例如硫酸鹽、碳酸鹽、鹵化物和醋酸鹽等)。羥基羧酸作為還原劑，可以是檸檬酸。多羥基醇可以是乙二醇和聚乙二醇。溶液中檸檬酸和乙二醇可以以合適的摩爾比率存在，例如檸檬酸比乙二醇約為1:4。檸檬酸最初可以以溶液的形式存在于水中，具體為去離子水。該方法可以包括：首先將檸檬酸溶液和乙二醇的混合物攪拌并加熱至溫度T1；然后，將鋰、錳、鎳、鈷以及，如果出現的話，鋁的硝酸鹽的溶液緩慢，例如逐滴，加入檸檬酸/乙二醇溶液中。如上文所述，該溶液中包含鋰、錳、鎳、鈷以及，如果出現的話，鋁的化合物的溶劑；溶解的鋰、錳、鎳、鈷以及，如果出現的話，鋁的化合物；羥基羧酸和多羥基醇，T1低于該溶液的沸點。重要的是T1要低于該溶液的沸點，以防止該溶液的溶劑以及其他成分過早蒸發，即防止凝膠形成反應(聚合物凝膠形成)完成前出現此類蒸發。當該溶劑為上文所說的水時，90℃≤T1<100℃。優選地，T1可以約為90℃。該凝膠所保持的高溫為T2，其中90℃≤T2<100℃。優選地，T2與T1相同。即，優選地，該溶液保持在T1下，直到形成全部或足夠的凝膠，然后該凝膠保持在T1下，直到其著火并燃燒形成Li-Mn-Ni-Co-O粉末，或，當鋁作為摻雜劑出現時，Li-Mn-Ni-Co-Al-O粉末。必須使該溶液保持在T1下用于完成凝膠形成和溶液液體成分的蒸發以及保持凝膠狀態直到燃燒的時間t1依賴于溶液的體積、T1等因素，但通常至少為30分鐘。Li-Mn-Ni-Co-O或Li-Mn-Ni-Co-Al-O粉末的煅燒可以在溫度T3下實施。因此，T3要足夠高使粉末中出現的碳和/或其他雜質燃盡。因此，煅燒會在非還原環境中實施，優選地，在氧化環境中實施。因此，T3可以低至300℃到350℃。然而，更優選地，400℃≤T3<600℃；通常，T3約為500℃。煅燒可以持續時間段t2，t2應足夠長可以使碳和/或其他雜質燃盡，達到期望程度，同時，t2也依賴于粉量、T3等因素。因此，優選地，t2<12小時；通常，t2可以約為6小時。處理后材料或粉末的退火可以在溫度T4下實施。因此，T4要足夠高以使粉末結晶。因此，優選地，700℃≤T4≤90本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制備層狀鋰?錳?鎳?鈷氧化物材料的方法，包括：制備未加工的層狀鋰?錳?鎳?鈷氧化物(LMNC)材料；可選地，在所述未加工的層狀LMNC材料的制備過程中，當所述層狀LMNC材料用作電化學電池中的陰極材料時，采用能夠提高所述層狀LMNC材料的性能的摻雜劑；在對所述未加工的層狀LMNC材料實施退火前，對其進行微波處理，以獲得處理后的材料；以及對所述處理后的材料進行退火，以獲得所述層狀LMNC材料。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.07.03 ZA 2014/049121.一種用于制備層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物材料的方法，包括：制備未加工的層狀鋰-錳-鎳-鈷氧化物(LMNC)材料；可選地，在所述未加工的層狀LMNC材料的制備過程中，當所述層狀LMNC材料用作電化學電池中的陰極材料時，采用能夠提高所述層狀LMNC材料的性能的摻雜劑；在對所述未加工的層狀LMNC材料實施退火前，對其進行微波處理，以獲得處理后的材料；以及對所述處理后的材料進行退火，以獲得所述層狀LMNC材料。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述未加工的層狀LMNC材料的制備不包括任何高于600℃溫度下的熱處理。3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述未加工的層狀LMNC材料的制備包括不高于600℃溫度下的熱處理。4.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，所述層狀LMNC材料是Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2，Li[Ni0.33Mn0.33Co0.33]O2或Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2。5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，所述摻雜劑是元素周期表中IIA、IIIA或IVA族中的元素。6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述摻雜劑是鋁。7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述層狀LMNC材料是Li[Li0.2Mn0.52Ni0.13Co0.13Al0.02]O2。8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，制備所述未加工的層狀LMN...

【專利技術屬性】
技術研發人員：K·I·奧佐米納，C·J·賈夫塔，
申請(專利權)人：科學與工業研究理事會，
類型：發明
國別省市：南非;ZA