[发明专利]一种高容量三元正极材料的制备方法及电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种高容量三元正极材料的制备方法及电池。

背景技术

层状LiNiO₂的理论容量为275mAh/g，实际容量为180～200mAh/g，平均工作电压为3.6V，具有自放电率低，污染小与多种电解液的相容性好的特点，但是，存在制备困难，材料的重现性差的问题。高镍正极材料一直没有得到广泛的应用，其原因在于很难合成计量比的材料，充放电过程中的相变及Ni²⁺占据Li⁺的3a位置导致阳离子混排，从而造成电池性能的急剧下降。通过适量的铝和钴掺杂形成镍钴铝酸锂LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂,材料的放电容量高达190mAh/g，材料的可逆比容量、安全性和成本方面已经达到了应用要求，目前NCA已经在日本韩国等有广泛的应用。

2020年我国动力电池能量密度要达到260Wh/kg，比目前的120Wh/kg的水平高过1倍，预计今年有望达到140～150Wh/kg，明年或将达到180Wh/kg，要达到这个要求只有高镍的NCA和NCM811能够满足要求。特斯拉新一代锂电池中NCA三元材料成为关键，其中的Model系列的续航高达300Km以上，单体电池的能量密度超过300Wh/Kg。目前NCA的技术掌握在国外少数几家企业手中，国内对于NCA的开发和研究稍显迟缓，材料整体的批次性差，循环性能有待提高，表面残锂过高导致电池胀气问题严重。因此开发高容量的NCA材料显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高容量高镍三元镍钴酸锂正极材料的制备方法及锂离子电池。采用本发明的方法制备得到的镍钴铝酸锂正极材料具有高容量和低的表面残碱，具有优异的循环和容量性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高容量三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将镍钴铝氢氧化物与锂盐在高速混料设备中进行干法混合，将混合好的混合物进行第一次烧结，烧结完成后粉碎、过筛，得到第一烧产物；

(2)将所述第一烧产物进行水洗、干燥；

(3)将步骤(3)得到的干燥产物与纳米金属氧化物在高速混料设备中进行干法混合，将混合好的混合物进行第二次煅烧，烧结完成后粉碎、过筛，得到高容量的镍钴铝酸锂三元正极材料。

优选地，所述步骤(1)和(3)的干法混合的速度为800～1000r/min，时间10～30min。

优选地，所述镍钴铝氢氧化物为由二次颗粒堆积而成的球形一次颗粒，一次颗粒结构完整，金属总含量不小于60wt.％。

进一步优选地，所述镍钴铝氢氧化物通过以下步骤制备得到：

1)将镍、钴、铝可溶性盐按照摩尔比例为Ni：Co：Al＝x：y：z混合，其中0.80≤x＜0.90，0.09≤y＜0.18，0.030≤z＜0.055，配置成溶液；

2)将氢氧化钠配置成浓度为2～4mol/L的溶液；

3)将氨水配置成2～4mol/L的溶液；

4)将步骤1)中溶液与步骤3)中的溶液混合，加入反应釜中持续搅拌；

5)用步骤2)中的氢氧化钠溶液控制控制步骤4)中溶液的pH值在9～12，同时控制反应的温度为30～70℃，反应结束后进行固液分离得到球形前驱体镍钴铝氢氧化物。

优选地，所述锂盐为一水合氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、草酸锂和乙酸锂中的至少一种，更优选为一水合氢氧化锂、碳酸锂和草酸锂中的一种或几种，最优选为一水合氢氧化锂。

进一步优选地，所述锂盐中锂离子与所述镍钴铝氢氧化物中镍、钴和铝离子的总和的摩尔比为0.9～1.10：1，更优选为0.95～1.07：1，最优选为0.99～1.06：1。

优选地，所述第一次烧结的温度为600～900℃，更优选为650～800℃；第一次烧结的时间为9～30小时，更优选为10～24小时。

优选地，在步骤(2)中，将所述第一烧产物与纯水在反应釜中机械搅拌一定时间后，进行过滤、干燥。所述水洗的温度优选为20～100℃，更优选为25～85℃，最优选为25～60℃。所述水洗的时间优选为1～60分钟，更优选为2～55分钟，最优选为5～40分钟。

优选地，水洗所用的水与第一次烧结产物的质量比优选为1～50：1，更优选为2～40：1，最优选为3～30：1。