摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料及其製備方法與流程
2023-04-25 00:47:06
本發明涉及鋰離子電池的正極材料及製備，具體是一種摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料及其製備方法。
背景技術：
傳統的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正極材料具有價格低、放電比容量高、循環穩定等特點，但普通523三元正極材料存在多次循環過程中容量保持率較低、壓實不高等缺點，影響了其性能的進一步提高。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠提高三元正極材料壓實密度，改善鋰離子電池性能的摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料及其製備方法。
本發明的摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料，其原料組成為：三元前驅體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、Li2CO3、Sr(OH)2·8H2O、H3BO3；其中三元前驅體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和Li2CO3按化學計量比m(Li+)/m(Ni2++Co2++Mn2+)＝1.04：1；其中Sr在正極材料中摻雜含量質量百分比為0.06％～0.18％；H3BO3在正極材料中摻雜含量質量百分比0.5％～1.2％；各原料通過高溫固相燒結製成正極材料。優選的，Sr在正極材料中摻雜含量質量百分比為0.08％～0.095％，H3BO3在正極材料中摻雜含量質量百分比為0.6％～0.8％。
本發明的上述正極材料的製備方法包括以下步驟：
步驟一，將電池級三元前驅體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和電池級碳酸鋰Li2CO3按化學計量比m(Li+)/m(Ni2++Co2++Mn2+)＝1.04：1進行配料,再按Sr和H3BO3的摻雜比例配入分析純Sr(OH)2·8H2O和分析純硼酸H3BO3；
步驟二，將配好的原料加入三維混料機，並加入混料球進行混料；優選的混料球質量比列為
步驟三，將混合均勻的料放置於箱式氣氛爐中，以5℃/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫1h；再以5℃/min的升溫速率升溫至600℃，恆溫1h；然後再以5℃/min的速率升溫至950℃，恆溫4h；燒結後冷卻至室溫，製得摻雜Sr和H3BO3的鋰離子電池LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正極材料；箱式氣氛爐中抽風機風量為(7.5～10.5)m3/min。
本發明通過合適的H3BO3和Sr摻雜，製備出的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料製成的極片與傳統三元正極材料相比具有更高的壓實密度，比能量密度大副提高，同時晶體結構沒有發生變化，粒度、pH、比表面積、振實密度也變化不大，有效地提升了全電池性能。
具體實施方式
本發明實施例摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料的製備和實驗步驟如下：
1、配料：將三元前驅體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2(電池級)和碳酸鋰Li2CO3(電池級)按化學計量比m(Li+)/m(Ni2++Co2++Mn2+)＝1.04：1進行配料,再按照質量摻雜比例Sr 0.06％～0.18％和硼酸H3BO3 0.5％～1.2％配Sr(OH)2·8H2O(分析純)和硼酸H3BO3(分析純)；配料後將料編號。
2、混料：將稱量好的原料以「黑白相間」原則加入三維混料機，並加入混料球(混料球質量比列為此比例加入混料球混料能最大限度的使混料均勻)，進行混料2h，混料後編號。
3、燒結：將混合均勻的料放置於箱式氣氛爐中，以5℃/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫1h，再以5℃/min的升溫速率升溫至600℃，恆溫1h，然後再以5℃/min的速率升溫至950℃，恆溫4h，燒結後冷卻至室溫。抽風機風量為(7.5～10.5)m3/min。將燒結後的料編號。
4、破碎：將燒結後的20組料採用聯合破碎法，首先通過鄂破機進行機械粗破碎，然後超聲波破碎系統進行二次破碎，再使用超聲波振動篩過200目篩，即得到摻雜Sr和H3BO3的鋰離子電池LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正極材料，將LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正極材料進行編號。
5、物理性能測試：XRD(對粉末樣品進行X射線衍射分析)、SEM(掃描電子顯微鏡對樣品粒徑和形貌分析)、材料真密度測試、壓實密度測試；
電性能測試：將實驗所得正極材料製作成紐扣電池，採用新威電池測試系統測試電池充放電性能。
測試結果分析如下：
1、三元前驅體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和碳酸鋰Li2CO3為原料，採用固相燒結法、添加適量的H3BO3和Sr(OH)2·8H2O製備了更優良的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料，H3BO3在晶體生長過程中起到了助熔作用，隨著H3BO3和Sr摻雜量的增加，使正極材料的一次顆粒長大，晶胞常數也增大，緻密度增加，晶體結構沒有發生變化，粒度、pH、比表面積、振實密度稍有變化。
2、H3BO3添加量為0.6％～0.8％且Sr摻雜量為0.08％～0.095％時製備出的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料製成的極片具有最高的使用極限壓實密度4.12g/cm3，比能量密度提高約13.4％。
3、全電池測試結果顯示，H3BO3添加量為0.6％～0.8％且Sr摻雜量為0.08％～0.095％時LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2極片隨著壓實密度的增大，25℃、0.5C首次充放電比容量有所提升，倍率和循環性能也提升；壓實密度為4.12g/cm3時，25℃、0.5C首次充放電比容量為166.25(mA·h)/g，1C循環首次放電比容量為159.82(mA·h)/g，100次循環容量保持率為97.88％，綜合電化學性能優異。