[发明专利]一种具有分级结构的NCM三元正极材料

说明书

本发明涉及一种具有特殊分级结构的NCM三元正极材料，属于化学储能电池领域。所述材料通过向去离子水中加入镍钴锰三元正极材料前驱体，搅拌并控制pH，然后在保护气体氛围下滴加混合金属盐溶液和混合碱溶液，使pH稳定在10‑12范围内，并控制进料时间和反应温度，得到改性后的镍钴锰三元正极材料前驱体；然后将改性后的镍钴锰三元正极材料前驱体和锂盐混合均匀进行煅烧后得到一种具有分级结构的NCM三元正极材料。所述材料的压实密度、循环稳定性及倍率性能得到了极大的改善。

技术领域

本发明涉及一种具有特殊分级结构的镍钴锰三元正极材料，具体涉及一种通过控制锂离子电池镍钴锰三元正极材料前驱体一次颗粒定向叠加排布生长的方法制备镍钴锰三元正极材料，属于化学储能电池领域。

背景技术

随着人们对能源需求的不断增加，二次电池成为人们关注的重点。而锂离子二次电池由于具有循环寿命长、电池电压高且稳定、循环性能优于其他二次电池、可以进行快速充放电而且没有镍镉电池所具有的记忆效应、较高的电池比容量、电池自放电率较低以及对环境造成的污染低等众多优点而被广泛应用于人们的日常生活中。目前商品化应用的锂离子二次电池材料中，负极主要采用石墨材料，而使用的正极材料包括LiCoO₂、LiFePO₄、三元正极材料LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂(0x1，0y1，0x+y1)和LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂(0x1，0y1，0x+y1)等，其中镍钴锰(NCM)三元正极材料由于具有高比容量、高能量密度和环境友好的特点，逐渐在锂离子电池市场中占据重要位置。

然而对于镍钴锰三元正极材料而言，为了追求高比容量和高能量密度以满足动力电池市场的需求，必须不断增加材料中镍元素的含量，因此出现了高镍三元材料；而由于二价镍离子半径与锂离子半径相近，在反复充放电过程中二价镍离子会占据锂离子位置，造成阳离子混排，影响材料的循环性能，所以随着镍含量的增加，高镍三元正极材料中阳离子混排情况也会加剧，从而造成电池容量的快速衰减。同时，为了满足动力电池的实际使用需求，对于材料快速充放电能力也有了更高的要求，但是高镍材料由于自身结构存在的缺陷，烧结过程中有利于锂离子快速扩散的{010}活性晶面生长较其他晶面要慢，导致材料的高倍率性能较差。

为解决上述中存在的问题，众多研究通过构筑特殊结构的方式来改善材料的结构稳定性并提高材料的倍率性能。目前常见的特殊结构设计包括线性纤维结构、片状薄层结构、三维网络结构、介孔结构以及核壳结构等，但是目前制备的特殊结构材料例如纤维结构、片状结构材料、三维网络结构和介孔结构虽然可以明显改善材料的倍率性能，但是上述材料存在压实密度低的问题，为了克服压实密度问题而制备的核壳结构材料则存在相分离的问题，严重影响了材料的后期循环。为了克服相分离问题，相关研究通过设计复杂的制备流程和设备，合成出全浓度梯度材料以减少相分离问题，但是制备过程中需要精确的控制合成步骤以及烧结步骤，并且增加了额外的设备，均不利于材料商品化的实现。不仅如此，在传统的连续共沉淀法制备镍钴锰三元正极材料前驱体过程中，晶核的制备与使用过程中不存在洗涤、干燥和储存的过程，一旦因为某些原因导致晶核与金属盐溶液合流陈化过程中断，该批次材料制备过程便会以失败告终，造成极大的浪费。此外，虽然有研究证实，一次颗粒的定向叠加有助于{010}活性晶面的增厚，而{010}活性晶面有助于提高材料的倍率性能，通过控制煅烧条件形成加厚的活性晶面定向排列的正极材料，材料的倍率性能得到改善，但是一次颗粒定向叠加后材料二次颗粒的形貌仍无法正常保持。

发明内容