[发明专利]一种三元前驱体及其制备方法及基于三元前驱体的锂离子电池三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三元前驱体及其制备方法及基于三元前驱体的锂离子电池三元正极材料及其制备方法。三元前驱体制备方法包括在惰性气氛下，将碱性溶液和配制好镍盐、钴盐和锰盐的金属盐水溶液通入微通道反应器中进行共沉淀反应，经微通道反应器出口收集，得到三元前驱体；该方法流程简单，极大缩短了反应时间，经制得的三元前驱体结构稳定；锂离子电池三元正极材料的制备方法包括将锂盐与上述三元前驱体按照1:(1～1.20)摩尔比研磨均匀，在450～600℃预烧4～6h，再在700～1000℃煅烧10～25h，该方法简单，缩短了反应时间，适于大规模生产；经制备的锂离子电池三元正极材料的颗粒尺寸在60～300nm纳米级。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料制备领域，特别涉及一种三元前驱体及其制备方法及基于三元前驱体的锂离子电池三元正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池正极材料是影响整个电池电化学性能、安全性、成本等的决定性因素。目前商业化应用最广的锂离子电池正极材料当属LiCoO₂，但是它制备成本高、容量有限，性能指标不能满足动力电池的应用需求。具有橄榄石型结构的LiFePO₄虽已在动力电池领域获得应用，但其理论容量仅有175mAh/g，且电子导电率低，仍不能满足人们对电动汽车动力电池一次充电续航500公里的要求。因此，正极材料的比容量已成为限制锂离子电池能量密度提高的瓶颈。三元材料(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂)可以综合利用Ni、Co和Mn电化学性能的互补性，展现出明显的三元协同效应，引入Co，能有效抑制Li⁺和Ni²⁺的阳离子混排现象，稳定材料的结构，同时提高材料的导电性，但过高的Co浓度会导致 Li容量的减低；引入Ni，作为电子活跃物，能有效提高材料的电化学容量，提高材料的能量密度；引入Mn，可以有效降低材料的成本并提高材料的安全性，从而具有良好的热稳定性、更高的比容量、廉价的制备成本等优点，被认为是最具最具商用价值的正极材料。

三元正极材料的制备方法主要有固相法、溶胶凝胶法、水热法、喷雾热解法和共沉淀法等，每一种制备方法均有其各自的优缺点。固相法合成法工艺简单，但反应时间长、步骤较多，具有能耗大、锂损失严重、难以控制化学计量比、易形成杂相和电化学性能不稳定等缺点；溶胶凝胶法混合均匀，产物纯度高，能耗低，但是，溶胶凝胶法合成材料所需时间较长不适合工业化，原料昂贵且对人体健康有害。水热法制备工艺简单，晶粒尺寸可调，但合成材料所需时间较长，设备要求高，安全性能差且合成材料产量低。喷雾热解法混合均匀，工序简单，但制备的前驱体结晶度低，材料的性能较差。共沉淀法制备出的三元材料具有振实密度高、加工性能好的优点，但是制备组分均匀、工艺稳定和重现性是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种三元前驱体及其制备方法及基于三元前驱体的锂离子电池三元正极材料及其制备方法，该三元前驱体组分分布更加均匀，反应时间短；基于其的锂离子电池三元正极材料产品粒度分布窄、粒度均匀、分散性好、重现性好，其制备方法流程简单、大大缩短了反应时间，适于大规模生产。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于制备电池正极材料的三元前驱体的制备方法，包括：

在惰性气氛下，将碱性溶液和由镍盐、钴盐和锰盐配制的金属盐水溶液分别通入微通道反应器中，进行共沉淀反应，经微通道反应器出口收集，过滤、洗涤和干燥后得到三元前驱体。

优选的，碱性溶液和金属盐水溶液的摩尔比为1:(1～2)；其中碱性溶液的浓度为1～5mol/L，金属盐水溶液中金属离子总浓度为0.25～2mol/L，镍盐、钴盐和锰盐的摩尔比为(1～8):1:(1～2)。

优选的，碱性溶液的溶质为氢氧化钠、碳酸钠、氨水或碳酸氢钠。