[发明专利]一种高纯度钴酸锂正极材料的制备方法及其应用

说明书

（一）技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种高纯度钴酸锂正极材料的制备方法及其应用。

（二）背景技术

LiCoO₂是锂离子电池中一种较好的正极材料，具有工作电压高、放电平稳、比能量高、循环性能好等优点，适合大流量放电和锂离子的嵌入和脱出，在锂离子电池中得到率先使用。

目前钴酸锂常见的制备方法主要有固相反应法、溶胶凝胶法和水热反应法等。传统的固相反应法合成钴酸锂需要在850℃以上的高温长时间煅烧，得到粉末的颗粒尺寸比较大，并且化学成分不太均匀。锂盐在高温下挥发致使产物纯度较低。在溶胶凝胶法制备粉末材料的过程中，反应物各成份能在溶液中实现均匀混合，能够在较低的温度下制备所需材料，有效地缩短了反应时间。溶胶凝胶法产品纯度高，颗粒大小控制好，但成本很高，主要用于实验室研究。水热法产物纯度高，但使用高温高压的体系，设备要求高，投入较大。

（三）发明内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的是使用电化学方法精确控制锂钴的比例，得到高纯度的钴酸锂材料及其锂离子电池，本方法可以大规模化生产，产物具有较好的电池性能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高纯度钴酸锂正极材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：（1）将四氧化三钴、粘结剂、导电剂混合均匀压制成片，其中四氧化三钴的质量百分比为60～90%，粘结剂质量百分比为5～20%，导电剂质量百分比为5～20%；

（2）以步骤（1）中压制的片为正极，锂片为负极组装成电池，根据四氧化三钴的质量和钴酸锂中锂元素与钴元素的摩尔比例计算嵌锂需要的电量，在放电仪器上放电。

（3）放电完毕后，取出嵌锂的四氧化三钴，高温退火处理得到钴酸锂，即高纯度钴酸锂正极材料。

上述粘结剂聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或两种的组合。

上述导电剂为炭黑导电剂和石墨导电剂的一种或混合物。

进一步，导电剂为乙炔黑、SuperP、科琴黑、KS-6、碳纳米管、石墨烯的一种或混合物。

其中，步骤（2）中压制成片时的压力为15～30MPa。

其中，步骤（2）中所述电池为纽扣电池，所述放电仪器为电池测试仪或电化学工作站。

步骤（2）中，根据四氧化三钴的质量和锂钴的比例计算嵌锂需要的电量，则一定质量四氧化三钴嵌入对应量锂所需要的电量计算公式为：mAh，其中m为四氧化三钴的克数，M为四氧化三钴的分子量，放电后高温退火处理得到钴酸锂中锂钴摩尔比为1:1。

所述高温退火温度为400～1000℃，高温退火时间为4～24小时。

所述高温退火温度为800℃。

将得到的高纯度钴酸锂正极材料在制备锂离子电池中的应用。

以高纯度钴酸锂为正极材料制备锂离子电池，其步骤为：

将所得的钴酸锂与导电剂、粘结剂按质量比90:5:5混合，加入1-甲基-2吡咯烷酮将混合物调制成浆料，均匀涂覆在铝箔上，80℃干燥6小时，120℃真空干燥12小时制得极片，将极片转移到手套箱中，以金属锂为对极组装成CR2032型纽扣电池。

以高纯度钴酸锂为正极材料制备锂离子电池中的导电剂为炭黑导电剂和石墨导电剂的一种或混合物，粘结剂聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或两种的组合。

本发明中四氧化三钴为微米颗粒，大颗粒增加了锂离子嵌入的难度，可能造成嵌锂不均匀，降低纯度，小颗粒的成本较高，操作困难，8μm的四氧化三钴颗粒是目前成熟的商业材料，是综合性能最优的尺寸。

粘结剂保证了压片的强度，但太多会影响压片的导电性并增加成本，太少起不到粘结作用，质量分数为5～20%是最佳比例。导电剂保证了压片在放电过程中的导电性，但太多会影响制片的难度并增加成本，太少作用不明显，质量分数为5～20%是最佳比例。

在将各组分混合时，采用的混合方法包括球磨法和研磨法。

步骤（2）中，所述的放电容量为根据四氧化三钴的质量和锂钴的比例计算的嵌锂需要的电量，钴酸锂中锂钴摩尔比为1:1，则一定质量四氧化三钴嵌入对应量锂所需要的电量计算公式为：mAh，其中m为四氧化三钴的克数，M为四氧化三钴的分子量，放电到此时四氧化三钴的嵌锂量恰好为3。则此时钴酸锂中锂钴摩尔比为1:1为定值，即最终产品中锂钴摩尔比为1:1。