鎳鈷鋁三元正極材料的制備方法研究

訚碩（湖南中偉新能源科技有限公司，湖南長沙410600）

0 引言

在我國的新能源電池市場領域中，鋰離子蓄電池是一種可循環(huán)使用的二次電池，同時鋰離子蓄電池的能量密度較高、電池壓力較強，因此鋰離子蓄電池當下被廣泛地應用于航空航天、智能設備、安防產(chǎn)品等相應的領域。鋰離子蓄電池中的正極材料是該電池組成的核心部位，正極材料使用效果的好壞直接決定著鋰離子蓄電池在應用過程中的性能。根據(jù)有關調(diào)查資料顯示，鋰離子蓄電池的正極材料約占電池總成本比例的38%～47%，因此當前在鋰離子蓄電池正極材料的研發(fā)領域，科研人員在致力于研發(fā)出造價成本更低且性能更優(yōu)的鋰離子正極材料。

目前在鋰離子正極材料中所使用的通常是鎳鈷鋁三元，通過鎳鈷鋁三元正極材料便可以解決傳統(tǒng)正極材料應用過程中的缺陷，同時還可以較好的提升正極材料在鋰離子蓄電池應用過程中的電化學性能和可循環(huán)性能。鎳鈷鋁三元正極材料主要在其中添加了錳元素和鋁元素，雖然添加了這兩種材料后可以提升正極材料的部分性能，但是鎳鈷鋁三元正極材料的穩(wěn)定性還具有一定的缺陷，下文中主要針對鎳鈷鋁三元正極材料的制備方法和改性過程進行研究，來探尋提升鎳鈷鋁三元正極材料穩(wěn)定性的相關措施。

1 鎳鈷鋁三元正極材料的具體制備方法

1.1 鎳鈷鋁三元正極材料制備中的化學共沉淀法

鎳鈷鋁三元正極材料的在制備過程中，技術人員通常會使用化學共沉淀法進行制備，在這個過程中需要按照一定比例將鎳、鈷、鋁這三類材料的可溶性鹽配比成混合溶液。在混合溶液中可以適當?shù)奶砑託溲趸c溶液、氨水溶液或是碳酸氧洛合劑作為混合溶液應用中的沉淀劑。在制備的過程中，技術人員可以通過控制氫氧化鈉溶液、氨水溶液等沉淀劑的添加速率，就可以控制混合溶液的ph值，這樣就可以在混合溶液內(nèi)部形成球形的鎳鈷鋁三元正極前驅(qū)體材料沉淀物。之后再將混合溶液進行過濾處理，來得到混合溶液中的沉淀物，然后再將沉淀物進行洗調(diào)和干燥，便可以初步得到前驅(qū)體顆粒。技術人員在將前驅(qū)體顆粒和鋰物質(zhì)進行按照適當比例的混合，然后將混合物放置于高溫下進行煅燒，這樣就可以形成制備鋰離子電池正極材料的初始物質(zhì)。通過以上共沉淀法進行制備的材料，其顆粒大小直徑可以進行自主控制，同時該材料還具有較高的振實密度，且該材料在應用過程中的電化學性較為穩(wěn)定。

在利用化學共沉淀法制備鎳鈷鋁三元正極材料的過程中，技術人員需要將鎳鈷鋁的氯鹽溶液與硝酸鹽或硫酸鹽進行混合，在混合均勻后將溶液靜止4～5個小時。然后向溶液中添加含有絡合劑的強堿溶液，這樣便可以在溶液中起到沉淀劑的反應。在溶液進行沉淀反應的過程中，技術人員需要控制溶液沉淀反應過程中的ph值和反應溫度，這樣才可以合理的控制球形鎳鈷鋁氫氧化物前驅(qū)體的生成速率。之后便需要通過過濾法。將溶液中的球形鎳鈷鋁氫氧化物前驅(qū)體收集，然后通過適當?shù)母稍锖头贌憧梢缘玫芥団掍X正極材料的混合物，之后再將混合物與氫氧化鋰、硝酸鋰和碳酸鋰進行混合，之后再次進行煅燒，便可以得到球形鎳鈷鋁材料。

1.2 鎳鈷鋁三元正極材料制備中的溶膠凝膠法

在鎳鈷鋁三元正極材料制備中，技術人員通過應用溶膠凝膠法便可以得到目的產(chǎn)物。再通過溶膠凝膠法制備鎳鈷鋁三元正極材料時，技術人員需要通過低黏度的金屬離子和具有一定絡合作用的有機混合物進行攪拌，然后得到初步混合物。在家得到的混合物進行水解反應，這樣便可以在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系。將溶液進行短時間的靜制，溶液內(nèi)部的溶膠便會通過陳化作用膠體間慢慢的聚合，這樣就可以形成三維空間的網(wǎng)絡凝膠結(jié)構(gòu)，是溶液內(nèi)部失去原有的聯(lián)動性。技術人員在將凝膠溶液干燥后，通過燒結(jié)固化設備便可以制備出納米結(jié)構(gòu)的反應物。通過這種材料制備出的反應物，雖然反應物的顆粒直徑較小，且粒度分布較窄，但是利用溶膠凝膠法制備具有易于控制、流程簡單、耗費成本較小等一系列的特點。但在工業(yè)生產(chǎn)中，由于通過溶膠凝膠法制備鎳鈷鋁三元正極材料所耗費的有機試劑較多，這邊會對周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，此外在該反應中反應精度要求較高，因此制備鎳鈷鋁三元正極材料的工業(yè)生產(chǎn)中不適合應用溶膠凝膠法。

1.3 鎳鈷鋁三元正極材料制備中的水熱合成法

在鎳鈷鋁三元正極材料的制備過程中，技術人員可以通過水熱合成法進行制備鎳鈷鋁三元正極材料。技術人員在通過水熱合成法制備鎳鈷鋁三元正極材料時，需要在高溫高壓的過飽和水溶液中進行化學合成反應，這種反應也是屬于化學合成中的濕法化學合成工序。通過利用水熱合成法所制備出的鎳鈷鋁三元正極粉末中，結(jié)晶水數(shù)量較多，且可以通過對水熱合成法中的條件進行控制，來對合成物的大小和形狀以及均勻性進行控制。在進行制備過程中，技術人員首先需要通過間接共沉淀法制備具有球形的鎳鈷鋁三元正極材料前驅(qū)體，然后將鎳鈷鋁前驅(qū)體粉末與氫氧化鋰水溶液進行混合。再將混合后的溶液放置于170～175℃的高壓釜進行水熱反應，在反應時間長達48小時后，技術人員便可以初步得到鎳鈷鋁三元正極材料。但是此步驟所得到的鎳鈷鋁三元正極材料的顆粒形狀與三元前驅(qū)體一樣都為球形，同時通過此步驟得到的三元正極材料的結(jié)晶性能較差，且在應用過程中的放電比容量也較低。因此還需要在800℃以下的溫度，進行一次熱處理，技術人員需要將熱處理的時間控制在3～5個小時，在熱處理結(jié)束后便可以得到具備優(yōu)良電化學性能的鎳鈷鋁三元正極材料。但目前在我國工業(yè)化生產(chǎn)中，如果需要采用水熱合成法進行生產(chǎn)鎳鈷鋁三元正極材料，那么就需要在工業(yè)生產(chǎn)中形成一定的生產(chǎn)規(guī)模，這樣才可以具有一定的經(jīng)濟性。

2 鎳鈷鋁三元正極材料的改性

2.1 鎳鈷鋁三元正極材料制備中的摻雜

在鎳鈷鋁三元正級材料制備中進行摻雜處理時，技術人員可以往該材料中添加相應的穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，來進一步改善該材料的電化學性能，從而提高材料的熱穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)有關調(diào)查研究顯示，鎳鈷鋁三元正極材料在3.4～4.15v 的電壓下，進行前后18～20次的充放電，鎳鈷鋁三元正極材料依然具有較高的可循環(huán)穩(wěn)定性。

2.2 鎳鈷鋁三元正極材料制備中的表面包覆

在鎳鈷鋁三元正極材料進行表面包覆，技術人員在恒溫60℃的溫度下，通過二氧化硅直接干涂覆蓋在鎳鈷鋁三元正極材料上方，在測試中可以發(fā)現(xiàn)鎳鈷鋁三元正極材料的循環(huán)性能大幅度提升，同時在干涂覆蓋處理中采用的質(zhì)量比例是99：1的二氧化硅納米離子和鋰離子蓄電池的陰極材料粉末，通過表面包覆，可以明顯發(fā)現(xiàn)涂覆材料的充放電效率比未進行涂覆的充放電效率高達2%。

3 結(jié)語

通過對鋰離子蓄電池正極材料中的鎳鈷鋁三元正極材料的制備方法進行研究，便可以探索出更加經(jīng)濟節(jié)能的制備方法，來促進我國鋰離子蓄電池產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。