[发明专利]一种纯固相法制备锂离子电池正极材料NCA的方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及到一种纯固相法制备电化学性能优良锂离子电池正极材料LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂（简称NCA）的方法。

背景技术

高镍系正极材料作为未来锂电发展的一个重要方向，其中LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂（简称NCA）材料具有优越的容量性能和功率性能，可以作为理想的动力电池正极材料。传统的LiNiO₂虽然具有较高的比容量，但是循环性能差，并且在充放电过程中具有严重的相变过程 ，降低了层状结构的稳定性，从而影响LiNiO₂的广泛应用。将LiNiO₂通过少量的Co³⁺和Al³⁺共掺杂，就可以稳定LiNiO₂层状结构和抑制充放电过程中的相变，提高电化学性能。然而高镍系材料对于合成条件较为苛刻，阻碍了其在商业应用上的发展。一般研究认为Ni²⁺难以氧化为Ni³⁺是造成高镍系材料合成困难的主要原因。

此外，NCA材料的合成中过程，由于Ni²⁺较难氧化为Ni³⁺，合成时不可避免会剩余未被氧化的Ni²⁺。由于Ni²⁺极化力小，易形成高对称的无序岩盐结构。当NCA中存在Ni²⁺时，部分Ni²⁺要取代Ni³⁺的(3b)位置，使得阳离子电荷降低。为保持电荷平衡，部分Ni²⁺要占据一价Li⁺的(3a)位置。这种现象即通常所说的Li/Ni 阳离子无序分布或阳离子混排(cation mixing)。由于Ni²⁺(rNi²⁺=0.68?)半径小于Li⁺(rLi⁺=0.76?)， 且在脱锂过程中被氧化为半径更小的Ni³⁺(rNi³⁺ =0.56 ?)，导致层间局部结构塌陷，使得Li⁺很难再嵌入塌陷的位置，造成材料的容量损失。因此，在合成过程中，应尽量减少Ni²⁺的生成。

因此我们提出直接配锂后预烧结，原因是在较低的温度下Ni²⁺易于氧化为Ni³⁺，同时Li⁺在低温下已开始进入NiO晶格，晶体晶型开始转变。然后再高温烧结，目的是使Co和Al固溶。采用这种烧结法，降低了Ni²⁺难于氧化为Ni³⁺的困难，整个烧结过程可以在空气气氛中合成出结构完美，电化学性能优良的NCA正极材料。

在目前的情况下，很少有企业可以直接通过固相法生产NCA材料。全球对于NCA材料投入商业化生产的也只有日本和韩国的少数企业，而他们所采用的制备方法都是共沉淀法。但是共沉淀法生产成本高，不利于大规模工业化生产。 

发明内容

本发明所解决的技术问题，是提供了一种纯固相法制备NCA（LiNi_0.15Co_0.15Al_0.05O₂）正极材料的方法，该方法制备出的NCA正极材料具有良好的电化学性能，2.75V～4.3V之间，充放电倍率0.5C下，首次放电容量可以达到180mAh/g，并且循环稳定性好。工艺过程简单，操作简便，产品的电化学性能优良，可以投入到工业化生产的制备方法。

本发明一种纯固相法制备锂离子电池正极材料NCA的方法，步骤具体包括如下：

（1）将Ni(OH)₂、Co₃O₄和含铝的粉末按照镍钴铝的摩尔比80～85:15～10:5进行均匀混合，加入分散剂后球磨分散，干燥后破碎过200目筛，得到过筛后的混合物；