镍钴铝三元正极材料的制备方法研究

2020-01-18訚硕湖南中伟新能源科技有限公司湖南长沙410600

化工管理 2020年18期

訚硕（湖南中伟新能源科技有限公司，湖南长沙410600）

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在我国的新能源电池市场领域中，锂离子蓄电池是一种可循环使用的二次电池，同时锂离子蓄电池的能量密度较高、电池压力较强，因此锂离子蓄电池当下被广泛地应用于航空航天、智能设备、安防产品等相应的领域。锂离子蓄电池中的正极材料是该电池组成的核心部位，正极材料使用效果的好坏直接决定着锂离子蓄电池在应用过程中的性能。根据有关调查资料显示，锂离子蓄电池的正极材料约占电池总成本比例的38%～47%，因此当前在锂离子蓄电池正极材料的研发领域，科研人员在致力于研发出造价成本更低且性能更优的锂离子正极材料。

目前在锂离子正极材料中所使用的通常是镍钴铝三元，通过镍钴铝三元正极材料便可以解决传统正极材料应用过程中的缺陷，同时还可以较好的提升正极材料在锂离子蓄电池应用过程中的电化学性能和可循环性能。镍钴铝三元正极材料主要在其中添加了锰元素和铝元素，虽然添加了这两种材料后可以提升正极材料的部分性能，但是镍钴铝三元正极材料的稳定性还具有一定的缺陷，下文中主要针对镍钴铝三元正极材料的制备方法和改性过程进行研究，来探寻提升镍钴铝三元正极材料稳定性的相关措施。

1 镍钴铝三元正极材料的具体制备方法

1.1 镍钴铝三元正极材料制备中的化学共沉淀法

镍钴铝三元正极材料的在制备过程中，技术人员通常会使用化学共沉淀法进行制备，在这个过程中需要按照一定比例将镍、钴、铝这三类材料的可溶性盐配比成混合溶液。在混合溶液中可以适当的添加氢氧化钠溶液、氨水溶液或是碳酸氧洛合剂作为混合溶液应用中的沉淀剂。在制备的过程中，技术人员可以通过控制氢氧化钠溶液、氨水溶液等沉淀剂的添加速率，就可以控制混合溶液的ph值，这样就可以在混合溶液内部形成球形的镍钴铝三元正极前驱体材料沉淀物。之后再将混合溶液进行过滤处理，来得到混合溶液中的沉淀物，然后再将沉淀物进行洗调和干燥，便可以初步得到前驱体颗粒。技术人员在将前驱体颗粒和锂物质进行按照适当比例的混合，然后将混合物放置于高温下进行煅烧，这样就可以形成制备锂离子电池正极材料的初始物质。通过以上共沉淀法进行制备的材料，其颗粒大小直径可以进行自主控制，同时该材料还具有较高的振实密度，且该材料在应用过程中的电化学性较为稳定。

在利用化学共沉淀法制备镍钴铝三元正极材料的过程中，技术人员需要将镍钴铝的氯盐溶液与硝酸盐或硫酸盐进行混合，在混合均匀后将溶液静止4～5个小时。然后向溶液中添加含有络合剂的强碱溶液，这样便可以在溶液中起到沉淀剂的反应。在溶液进行沉淀反应的过程中，技术人员需要控制溶液沉淀反应过程中的ph值和反应温度，这样才可以合理的控制球形镍钴铝氢氧化物前驱体的生成速率。之后便需要通过过滤法。将溶液中的球形镍钴铝氢氧化物前驱体收集，然后通过适当的干燥和焚烧便可以得到镍钴铝正极材料的混合物，之后再将混合物与氢氧化锂、硝酸锂和碳酸锂进行混合，之后再次进行煅烧，便可以得到球形镍钴铝材料。

1.2 镍钴铝三元正极材料制备中的溶胶凝胶法

在镍钴铝三元正极材料制备中，技术人员通过应用溶胶凝胶法便可以得到目的产物。再通过溶胶凝胶法制备镍钴铝三元正极材料时，技术人员需要通过低黏度的金属离子和具有一定络合作用的有机混合物进行搅拌，然后得到初步混合物。在家得到的混合物进行水解反应，这样便可以在溶液中形成稳定的透明溶胶体系。将溶液进行短时间的静制，溶液内部的溶胶便会通过陈化作用胶体间慢慢的聚合，这样就可以形成三维空间的网络凝胶结构，是溶液内部失去原有的联动性。技术人员在将凝胶溶液干燥后，通过烧结固化设备便可以制备出纳米结构的反应物。通过这种材料制备出的反应物，虽然反应物的颗粒直径较小，且粒度分布较窄，但是利用溶胶凝胶法制备具有易于控制、流程简单、耗费成本较小等一系列的特点。但在工业生产中，由于通过溶胶凝胶法制备镍钴铝三元正极材料所耗费的有机试剂较多，这边会对周边的生态环境产生一定的影响，此外在该反应中反应精度要求较高，因此制备镍钴铝三元正极材料的工业生产中不适合应用溶胶凝胶法。

1.3 镍钴铝三元正极材料制备中的水热合成法

在镍钴铝三元正极材料的制备过程中，技术人员可以通过水热合成法进行制备镍钴铝三元正极材料。技术人员在通过水热合成法制备镍钴铝三元正极材料时，需要在高温高压的过饱和水溶液中进行化学合成反应，这种反应也是属于化学合成中的湿法化学合成工序。通过利用水热合成法所制备出的镍钴铝三元正极粉末中，结晶水数量较多，且可以通过对水热合成法中的条件进行控制，来对合成物的大小和形状以及均匀性进行控制。在进行制备过程中，技术人员首先需要通过间接共沉淀法制备具有球形的镍钴铝三元正极材料前驱体，然后将镍钴铝前驱体粉末与氢氧化锂水溶液进行混合。再将混合后的溶液放置于170～175℃的高压釜进行水热反应，在反应时间长达48小时后，技术人员便可以初步得到镍钴铝三元正极材料。但是此步骤所得到的镍钴铝三元正极材料的颗粒形状与三元前驱体一样都为球形，同时通过此步骤得到的三元正极材料的结晶性能较差，且在应用过程中的放电比容量也较低。因此还需要在800℃以下的温度，进行一次热处理，技术人员需要将热处理的时间控制在3～5个小时，在热处理结束后便可以得到具备优良电化学性能的镍钴铝三元正极材料。但目前在我国工业化生产中，如果需要采用水热合成法进行生产镍钴铝三元正极材料，那么就需要在工业生产中形成一定的生产规模，这样才可以具有一定的经济性。

2 镍钴铝三元正极材料的改性

2.1 镍钴铝三元正极材料制备中的掺杂

在镍钴铝三元正级材料制备中进行掺杂处理时，技术人员可以往该材料中添加相应的稳定层状结构，来进一步改善该材料的电化学性能，从而提高材料的热稳定性和安全性。根据有关调查研究显示，镍钴铝三元正极材料在3.4～4.15v 的电压下，进行前后18～20次的充放电，镍钴铝三元正极材料依然具有较高的可循环稳定性。

2.2 镍钴铝三元正极材料制备中的表面包覆

在镍钴铝三元正极材料进行表面包覆，技术人员在恒温60℃的温度下，通过二氧化硅直接干涂覆盖在镍钴铝三元正极材料上方，在测试中可以发现镍钴铝三元正极材料的循环性能大幅度提升，同时在干涂覆盖处理中采用的质量比例是99：1的二氧化硅纳米离子和锂离子蓄电池的阴极材料粉末，通过表面包覆，可以明显发现涂覆材料的充放电效率比未进行涂覆的充放电效率高达2%。