一种用于固态电池的高压实高镍层状正极材料的复合包覆方法与流程

1.本发明涉及锂电池材料技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于固态电池的高压实高镍层状正极材料的复合包覆方法。


背景技术：

2.锂离子电池作为一种高效的能量转换与储存装置，已被广泛应用于各种便携式电子设备，新能源汽车和大型储能电站。然而，近年来电动汽车的快速发展对电池的能量密度、寿命和安全性能提出了越来越高的要求。与传统的液态电解质相比，固态电解质具有较高的热稳定性、不易燃、无泄漏和无挥发等优点，且具有更高的热失控起始温度，有利于提高电池的安全性和稳定性，因此，将高比能正极材料与固态电解质相匹配的固态锂离子电池有望同时兼具高能量密度和高安全性能。
3.高镍层状材料由于具有较高的比容量和良好的循环性能，受到研究者的广泛关注。但是随着镍含量的提高，材料的倍率性能、热稳定性和安全性变差，储存过程中高镍层状材料容易与空气中的h2o、co2反应在表面生成lioh和li2co3等，残碱的生成不仅使得电极制作的过程中浆料容易凝胶，而且在电化学反应过程中导致产气量的增加，带来安全问题。另一方面，作为全固态电池的关键部件，固态电解质在电池中兼具离子传导和正负极之间的隔膜的双重作用，无机硫化物固态电解质具有与液态电解质相媲美的高锂离子电导率(10-4
～10-2
s/cm)和良好的可塑性被认为是最具应用前景的固态电解质之一。然而由于其较差的电极与电解质兼容性，使得电解质和电极接触时自发发生反应，并且二者之间固/固界面引起的高界面阻抗问题也制约了固态电池的发展。
4.为了克服以上缺点，通常需要对高镍层状材料和固态电解质同时进行改性。研究人员多采用水洗工艺，并后续对高镍层状材料进行al2o3、sio2、zro2、tio2等材料进行表面包覆改性，从而降低材料表面的残锂含量，提高其循环稳定性及存储性能。然而，上述氧化物包覆材料的电子/离子导电率较低，使电化学反应过程中电子、锂离子的扩散受阻，降低了材料的倍率性能。此外，水洗和表面包覆的分步骤进行，使得技术工艺过于繁琐，需要更多的变量控制。另一方面，为抑制电极材料和固态电解质间的副反应，获得稳定电极与电解质界面，许多界面修饰改性策略被开发出来。其中，切实可行的是在电极和固态电解质之间使用缓冲层，采用电子绝缘而离子导电的缓冲层同时提高正极材料的压实密度，可以有效降低电极和电解质之间的界面阻抗，改善固态电池电化学性能。通过综合考虑高镍层状正极材料与固态电解质的特性，我们可以开发新型的复合包覆层材料并优化制备工艺，降低高镍层状材料表面残碱，并且作为中间缓冲层与固态电解质相匹配，整体提高固态电池电化学性能。
5.公布号为cn109244416a的专利公开了一种液相体系中利用高镍层状材料的表面残锂与磷酸反应，煅烧制备包覆有锂磷氧化物的高镍材料。但该方法以磷酸为反应物，合成过程的h

/li

的交换反应导致材料晶格中的li

以及过渡金属离子的溶出，严重破坏材料的
表面结构。公布号为cn112194196a的专利公开了氧化物/氟化物复合包覆剂，以水为分散介质包覆超高镍单晶层状材料。然而所选用的复合包覆层均不具备储锂特性，造成一部分的容量损失，并且高镍单晶层状材料在水中容易沉降，很难实现材料表面的均匀包覆。
6.由此可见，现有技术不足以同步实现高镍层状材料表面残锂的降低和电极/固态电解质具有电子绝缘而离子导电特性的中间缓冲层的构建，此为亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种用于固态电池的高压实高镍层状正极材料的复合包覆方法，本发明所要解决的技术问题是：现有技术不足以同步实现高镍层状材料表面残锂的降低和电极与固态电解质具有电子绝缘而离子导电特性的中间缓冲层的构建，此为亟待解决的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于固态电池的高压实高镍层状正极材料的复合包覆方法，包括以下步骤：
9.s1、将有机溶剂和可溶性磷酸盐溶于去离子水，并不断搅拌，配制成一定浓度的混合溶液。
10.s2、将高镍层状材料与钒化合物分散于上述混合溶液中，在室温下搅拌得到悬浊液，且保持搅拌速度为100～500r/min，搅拌时间5～30min。
11.s3、将s2得到的混合溶液进行抽滤，洗涤，然后置于真空烘箱中60～180℃干燥1～5h，得到包覆样品前驱体。
12.s4、将包覆样品前驱体在氧气氛围下煅烧，然后冷却至室温，得到化学式为li3po4的钒氧化物复合包覆的高镍层状正极材料。
13.s5、将s4得到的复合包覆的高镍层状正极材料与导电碳黑、硫化物电解质粉末按照一定的质量比例，在手套箱中研磨混合10～30min，即得到高压实的全固态电池正极材料。
14.作为本发明的进一步方案：所述高镍层状正极材料通式为lini
xm1-x
o2，其中m为co、mn、al、ti、zr、mg、w和mo中的一种或多种，且0.6≤x＜1。
15.作为本发明的进一步方案：所述高镍层状正极材料的二次颗粒中粒径d
50
为8～16μm，且d
10
为4～7μm，d
90
为18～22μm，压实密度≥3.3g/cm3。
16.作为本发明的进一步方案：所述复合包覆层中钒氧化物包括v2o5、vo2、v6o
13
、livo2、liv2o5、liv3o8中的一种或多种，且质量为高镍层状正极材料质量的0.5～5wt.％。
17.作为本发明的进一步方案：所述有机溶剂包括乙醇、乙二醇、聚乙二醇、正丙醇和异丙醇中的任意一种或多种，所述可溶性磷酸盐包括nah2po4、nh4h2po4、(nh4)2hpo4和(nh4)3po4中的任意一种或多种。
18.作为本发明的进一步方案：s1中所述的混合溶液中磷酸根浓度为0.05～0.3mol/l，有机溶剂浓度为5～30wt.％。
19.作为本发明的进一步方案：s2中所述钒化合物包括v2o5、vo2、nh4vo3和navo3中的至少一种。
20.作为本发明的进一步方案：s2中所述高镍正极材料与混合溶液的质量比为0.5～2:1。
21.作为本发明的进一步方案：s4中在氧气氛围下煅烧温度为400～700℃，焙烧时间为3～8h，升温速率1～5℃/min。
22.本发明的有益效果在于：
23.1、本发明通过采用有机溶剂混合溶液作为分散介质，实现了磷酸盐、钒氧化物与高镍三元材料表面的充分接触，通过材料表面的lioh和li2co3与磷酸盐反应去除残锂并实现li3po4的均匀包覆，同时钒化合物在材料表面通过吸附沉积完成包覆，与现有的高镍层状材料水洗和包覆工艺相比，本发明采用的有机溶剂混合溶液体系有助于高镍层状材料的均匀分散，并且实现了水洗和包覆的同步完成，复合包覆层中的li3po4作为快离子导体，有助于锂离子的快速扩散，具有电化学活性的钒氧化物可以为li

的脱出和嵌入提供位点，改善高镍层状材料的电化学性能，而且包覆层具有电子绝缘而离子导电特性，作为中间缓冲层可以使高压实的高镍层状正极与固态电解质相兼容，抑制电极材料和固态电解质间的副反应，获得稳定电极与电解质界面。
24.2、本发明简化了高镍层状正极材料制备过程中的水洗和包覆工艺，降低了高镍层状材料表面残锂，同时得到的高压实高镍层状正极材料表面具有电子绝缘而离子导电的缓冲层，可以与固态电解质兼容，提高了固态电池的能量密度，循环寿命和倍率性能，该方法具备简单易行，成本低等特点，具有广泛应用前景
附图说明
25.图1为实施例1得到的具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图；
26.图2为实施例2得到的具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图；
27.图3为实施例3得到的具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图；
28.图4为实施例4得到的具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图；
29.图5为实施例1和对比例1中样品的循环性能图。
具体实施方式
30.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
31.实施例1：
32.s1、在1l的烧杯中，依次加入475g去离子水，25g乙醇和6g磷酸二氢钠，充分溶解并混合均匀。
33.s2、将500g高镍正极材料lini
0.8
co
0.1
mn
0.1
o2(d
10
＝4.5μm，d
50
＝10.5μm，d
90
＝19μm)和5g五氧化二钒加入至上述混合溶液，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为30min。
34.s3、将混合液倒入布氏漏斗，通过真空泵抽滤，然后用无水乙醇冲洗数次，并置于
120℃预热的真空干燥箱中，烘干4h，得到包覆样前驱体。
35.s4、将包覆样前驱体通过300目样品筛筛分，然后置于匣钵中，在箱式炉氧气气氛600℃下，煅烧4h，升温速度设置为1℃/min。缓慢随炉冷却，过筛后即可得到具有均匀li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料。
36.图1所示为上述得到的表面具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图，可见其表面包覆层均匀且致密。
37.实施例2：
38.s1、在1l的烧杯中，依次加入450g去离子水，50g乙二醇和5.75g磷酸二氢铵，充分溶解并混合均匀。
39.s2、将500g高镍正极材料lini
0.83
co
0.12
mn
0.07
o2(d
10
＝5μm，d
50
＝12μm，d
90
＝20μm)和5g二氧化钒加入至上述混合溶液，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为20min。
40.s3、将混合液倒入布氏漏斗，通过真空泵抽滤，然后用无水乙醇冲洗数次，并置于150℃预热的真空干燥箱中，烘干3h，得到包覆样前驱体。
41.s4、将包覆样前驱体通过300目样品筛筛分，然后置于匣钵中，在箱式炉氧气气氛500℃下，煅烧6h，升温速度设置为2℃/min。缓慢随炉冷却，过筛后即可得到具有均匀li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料。
42.图2所示为上述得到的表面具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图，可见其表面包覆层均匀且致密。
43.实施例3：
44.s1、在1l的烧杯中，依次加入400g去离子水，100g聚乙二醇(peg400)和12.80g磷酸氢二铵，充分溶解并混合均匀。
45.s2、将500g高镍正极材料lini
0.90
co
0.05
mn
0.05
o2(d
10
＝6μm，d
50
＝14μm，d
90
＝21μm)和6.43g偏钒酸铵加入至上述混合溶液，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为10min。
46.s3、将混合液倒入布氏漏斗，通过真空泵抽滤，然后用无水乙醇冲洗数次，并置于180℃预热的真空干燥箱中，烘干2h，得到包覆样前驱体。
47.s4、将包覆样前驱体通过300目样品筛筛分，然后置于匣钵中，在箱式炉氧气气氛400℃下，煅烧8h，升温速度设置为3℃/min。缓慢随炉冷却，过筛后即可得到具有均匀li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料。
48.图3所示为上述得到的表面具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图，可见其表面包覆层均匀且致密。
49.实施例4：
50.s1、在1l的烧杯中，依次加入450g去离子水，50g异丙醇和14.90g磷酸铵，充分溶解并混合均匀。
51.s2、将500g高镍正极材料lini
0.96
co
0.02
mn
0.02
o2(d
10
＝7μm，d
50
＝15μm，d
90
＝22μm)和6.43g偏钒酸铵加入至上述混合溶液，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为20min。
52.s3、将混合液倒入布氏漏斗，通过真空泵抽滤，然后用无水乙醇冲洗数次，并置于180℃预热的真空干燥箱中，烘干2h，得到包覆样前驱体。
53.s4、将包覆样前驱体通过300目样品筛筛分，然后置于匣钵中，在箱式炉氧气气氛600℃下，煅烧5h，升温速度设置为3℃/min。缓慢随炉冷却，过筛后即可得到具有均匀
li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料。
54.图4所示为上述得到的表面具有li3po4/钒氧化物复合包覆层的高镍层状正极材料的sem图，可见其表面包覆层均匀且致密。
55.对比例1：
56.本对比例采用已有的提高高镍三元材料电化学性能的材料包覆方法，步骤如下：
57.s1、测定高镍三元材料lini
0.8
co
0.1
mn
0.1
o2表面残锂含量，称取该高镍三元材料500g，在磁力搅拌下分散于500g无水乙醇中形成悬浊液。
58.s2、称取取理论上完全反应500g该高镍三元材料表面残锂所需的磷酸，即磷酸根与锂离子的摩尔比为0.33:1，溶于150g无水乙醇中形成磷酸乙醇溶液，逐滴滴加至上述悬浊液中，并在70℃下加热蒸干，初步得到高镍三元材料表面的包覆层。
59.s3、将上述具有包覆层的高镍三元材料在烘箱内90℃干燥0.5h。在氧气氛围下650℃煅烧5h，得到锂磷氧化物包覆的高镍三元材料。
60.实验：
61.上述实施例和对比例中材料的全固态电池电化学性能测试采用以下方法：
62.循环性能使用cr2032型扣式电池测试；
63.将正极材料、导电碳sp、li
3.25
ge
0.25
p
0.75
s4电解质三种材料按照80∶5∶15的质量称取，搅拌2h混合均匀；
64.称取一定质量的li
3.25
ge
0.25
p
0.75
s4电解质粉置于绝缘套筒中，在150mpa压力下压制形成电解质层，而后将制备的复合正极粉电解质层一侧，在150mpa压力下进一步压制，以li-in合金为负极，将正负极置于两个不锈钢片集流体之间，组装成电池；
65.上述操作均在氩气手套箱中进行。
66.测试氛围：水分压≤0.1ppm，氧分压≤0.1ppm；
67.充放电测试在室温条件下进行，电压范围为2.8-4.25v，电流密度为60ma/g(0.3c倍率)进行充放电循环100圈。
68.所采集的首周充电比容量、首周放电比容量、首周库伦效率和100周后容量保持率数据如下表：
[0069][0070]
综上可知，本发明：li3po4/钒氧化物复合包覆改进后的高镍层状正极材料组装的固态电池经电化学测试，首周库伦效率均高于90％，与现有技术制备的相同镍含量正极材
料相比，高出至少2个百分点，且放电比容量高出7mah/g；所制备的li3po4/钒氧化物复合包覆lini
0.8
co
0.1
mn
0.1
o2材料100周后容量保持率高达97.6％，与现有技术相比，高出至少8个百分点。可见，本发明方法改进后的高镍层状正极材料在固态电池体系中具有更高的可逆容量发挥和循环稳定性，明显提高了基于高镍层状正极材料的固态电池的电化学性能，需要指出的是该实施例也可用于锂离子电池体系中高镍层状正极材料的改性研究。
[0071]
最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。