[发明专利]锂镍钴锰正极材料粉体

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂镍钴锰正极材料粉体，更具体而言，涉及一种由粉体颗粒表面纳米粒子至粉体颗粒核心纳米粒子具有不同化学剂量比例的结构的锂镍钴锰氧化物。

背景技术

目前锂电池已经被大量应用于笔记型计算机、行动电话、PDA、摄录像机、数字相机、迷你光驱、掌上型终端机、及蓝牙耳机等可携式电子产品上，而未来的3C产品除了需要具备轻、薄、短、小的特性之外，对于产品功能更强调高储存密度、高分辨率、动态全彩化等多功能目标，因此，更加迫切需求高能量密度、薄型化、可携式的锂电池。此外，在环保科技及绿色能源的诉求下，电动自行车、电动机车及混成电动车是未来的发展趋势，这些交通工具亦亟需能够提供高功率、高安全性、高能量特性与低价格的电池电源。

锂电池的正极材料，不但会影响电池性能，也是决定电池安全性的重要因素。因此好的锂电池正极材料，除了克电容量要高以外，最重要是材料热稳定性佳，亦即材料的安全性好，才能被应用于正极材料。锂钴氧化物(LiCoO₂)虽然是目前市场主流，但原料价格最贵又具毒性，且电容量与性能的提升已达极限，因此遂有利用能量密度高、成本较低且较无毒性的锂镍氧化物(LiNiO₂)来取代LiCoO₂的研究出现，但是LiNiO₂安全性不佳，很难被使用，而锂锰氧化物(LiMn₂O₄)虽然安全性佳，但克电容量低，不符合高电容量的需求。在高安全性的前提下，将镍、钴、锰三种过渡金属以不同比例相互混合的锂镍钴锰氧化物是具有较高安全性的正极材料，随着材料结构中锰的含量越高材料的安全性就越好，不过电容量则是会越来越低，无法维持高能量密度的特性。

目前锂镍钴锰正极材料全世界已有大量的商品化的材料，但有安全性与电容量无法同时兼顾的关键问题，为了解决这样的问题，一些研究单位或材料制造商会选择使用较低锰含量的锂镍钴锰正极材料，再将它种金属离子植入锂镍钴锰材料中，以增加材料结构的稳定度。虽然如此一来结构会相较于纯的锂镍钴锰氧化物稳定，安全性有所提升，但电容量还是会降低。

近年则是有一些学者将锂镍钴锰氧化物材料表面修饰一层纳米级的保护层，以避免材料与电解液产生反应，造成结构的崩坏，此种方法虽能降低材料的放热量，但是无法提高材料的热分解温度，而且材料大量制造及镀层技术较不易操作。

目前也有学者在研究以锂镍钴锰氧化物做为正极材料核心，再将材料表面覆盖一层较具热稳定性的正极材料做为保护壳层，例如：锂铁磷氧化物或锂镍锰氧化物，保护壳层厚度约1～2微米，形成一种核-壳结构的复合正极材料，此种结构虽能够有效提升材料的安全性，但也会造成材料内部界面阻抗增加，使材料在大电流放电的效能降低，而且此种结构的材料在大量制造的合成质量上不易掌握。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种锂镍钴锰正极材料粉体，包括多个粉体颗粒，每一粉体颗粒皆由多个纳米粒子所构成，每一粉体颗粒包括一锂镍钴锰氧化物，其化学组成表示为Li_aNi_1-b-cCo_bMn_cO₂，该粉体颗粒平均化学剂量符合0.9≤a≤1.2，0.08≤b≤0.34，0.1≤c≤0.4且0.18≤b+c≤0.67的条件，且该粉体颗粒表面的纳米粒子至该粉体颗粒核心的纳米粒子具有一不同化学剂量比例的结构。

所述的锂镍钴锰正极材料粉体，不同化学剂量比例的结构包括Li含量由粉体颗粒表面的纳米粒子朝向粉体颗粒核心的纳米粒子均匀分布，Ni含量由粉体颗粒表面的纳米粒子朝向粉体颗粒核心的纳米粒子增加，Co含量由粉体颗粒表面的纳米粒子朝向粉体颗粒核心的纳米粒子增加，以及Mn含量由粉体颗粒表面的纳米粒子朝向粉体颗粒核心的纳米粒子减少。

所述的锂镍钴锰正极材料粉体颗粒表面的纳米粒子的化学组成表示为Li_xNi_1-y-zCo_yMn_zO₂，其中0.9≤x≤1.2，0.03≤y≤0.3且0.15≤z≤0.6，而粉体颗粒核心的纳米粒子的化学组成表示为Li_x’Ni_1-y’-z’Co_y’Mn_z’O₂，其中0.9≤x’≤1.2，0.088≤y’≤0.51且0≤z’≤0.3，并且x＝x’，z＞z’，y＜y’且y+z＞y’+z’。