本發(fā)明涉及鋰離子電池的正極材料及制備，具體是一種摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正極材料具有價格低、放電比容量高、循環(huán)穩(wěn)定等特點(diǎn)，但普通523三元正極材料存在多次循環(huán)過程中容量保持率較低、壓實不高等缺點(diǎn)，影響了其性能的進(jìn)一步提高。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)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正極材料及其制備方法。
本發(fā)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(qū)體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2、Li2CO3、Sr(OH)2·8H2O、H3BO3；其中三元前驅(qū)體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和Li2CO3按化學(xué)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(zhì)量百分比為0.06％～0.18％；H3BO3在正極材料中摻雜含量質(zhì)量百分比0.5％～1.2％；各原料通過高溫固相燒結(jié)制成正極材料。優(yōu)選的，Sr在正極材料中摻雜含量質(zhì)量百分比為0.08％～0.095％，H3BO3在正極材料中摻雜含量質(zhì)量百分比為0.6％～0.8％。
本發(fā)明的上述正極材料的制備方法包括以下步驟：
步驟一，將電池級三元前驅(qū)體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和電池級碳酸鋰Li2CO3按化學(xué)計量比m(Li+)/m(Ni2++Co2++Mn2+)＝1.04：1進(jìn)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(jī)，并加入混料球進(jìn)行混料；優(yōu)選的混料球質(zhì)量比列為
步驟三，將混合均勻的料放置于箱式氣氛爐中，以5℃/min的升溫速率升溫至300℃，恒溫1h；再以5℃/min的升溫速率升溫至600℃，恒溫1h；然后再以5℃/min的速率升溫至950℃，恒溫4h；燒結(jié)后冷卻至室溫，制得摻雜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(fēng)機(jī)風(fēng)量為(7.5～10.5)m3/min。
本發(fā)明通過合適的H3BO3和Sr摻雜，制備出的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料制成的極片與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)沒有發(fā)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(fā)明實施例摻雜Sr和H3BO3的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料的制備和實驗步驟如下：
1、配料：將三元前驅(qū)體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2(電池級)和碳酸鋰Li2CO3(電池級)按化學(xué)計量比m(Li+)/m(Ni2++Co2++Mn2+)＝1.04：1進(jìn)行配料,再按照質(zhì)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)；配料后將料編號。
2、混料：將稱量好的原料以“黑白相間”原則加入三維混料機(jī)，并加入混料球(混料球質(zhì)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(jìn)行混料2h，混料后編號。
3、燒結(jié)：將混合均勻的料放置于箱式氣氛爐中，以5℃/min的升溫速率升溫至300℃，恒溫1h，再以5℃/min的升溫速率升溫至600℃，恒溫1h，然后再以5℃/min的速率升溫至950℃，恒溫4h，燒結(jié)后冷卻至室溫。抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量為(7.5～10.5)m3/min。將燒結(jié)后的料編號。
4、破碎：將燒結(jié)后的20組料采用聯(lián)合破碎法，首先通過鄂破機(jī)進(jìn)行機(jī)械粗破碎，然后超聲波破碎系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行編號。
5、物理性能測試：XRD(對粉末樣品進(jìn)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制作成紐扣電池，采用新威電池測試系統(tǒng)測試電池充放電性能。
測試結(jié)果分析如下：
1、三元前驅(qū)體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和碳酸鋰Li2CO3為原料，采用固相燒結(jié)法、添加適量的H3BO3和Sr(OH)2·8H2O制備了更優(yōu)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(shù)也增大，致密度增加，晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)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％時制備出的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正極材料制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(jié)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(huán)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(huán)首次放電比容量為159.82(mA·h)/g，100次循環(huán)容量保持率為97.88％，綜合電化學(xué)性能優(yōu)異。