[发明专利]一种锂离子电池高镍三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池高镍三元正极材料及其制备方法，该材料的化学式为LiNi_xCo_yMn_zO₂，其中，0.5≤x＜1，x+y+z＝1；制备方法为按配比称取硝酸镍和表面活性剂，加入到乙醇和水的混合溶液中，再加入尿素，搅拌后转移至反应釜中进行水热反应得到悬浮液；将悬浮液冷却、过滤洗涤、干燥后得到Ni(OH)₂前驱体；将Ni(OH)₂前驱体、锰源、钴源加入溶液中混合，然后加入锂源得到混合溶液，将溶剂蒸干得到混合物固体；该混合物固体经过烧结处理、冷却、研磨后得到所述正极材料。与现有技术相比，本发明具有制备过程简单、抑制镍锂混排现象、制备得到的正极材料的循环稳定性和倍率性能优异等优点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种锂离子电池高镍三元正极材料及其制备方法。

背景技术

随着化石能源枯竭，环境问题日益严重，人们需要寻找新型储能材料去解决目前所面临的问题。锂离子电池是一种常见的二次电池，其可循环使用、寿命长、能量密度高等优点使其成为目前商业化程度最高的化学储能装置。目前锂离子电池已经广泛应用于人类生活的各个领域，例如手机、电脑、医疗器械以及各种小型电子设备，并且有望广泛应用在动力汽车等大型储能设备中。

在锂离子电池中，正极材料的比容量普遍偏低，这极大地决定了整个电池的性能。而目前市场上所商业化的正极材料包括LiCoO₂、LiFePO₄等也都存在着比容量低的问题。并且LiCoO₂价格昂贵，具有一定的毒性；LiFePO₄导电性较差，已经不能满足目前对于动力汽车等大型储能设备对电池高能量密度、大功率的要求。近年来，三元材料由于其价格低廉、比容量高、安全性好等优点而得到了快速的发展。根据三元材料中镍钴锰元素的摩尔比例，三元材料可分为111、442、523、622、811等类型。随着镍含量的增加，其比容量也随之增加，价格随之降低，但镍的含量过多同样会导致严重的镍锂混排以及过量的表面残余碱等问题；钴的含量增大可以提升材料的电导率和倍率性能，但同样会提升成本以及产生较大的毒性；锰的含量增加会提升材料的安全性，稳定材料结构，但锰不能为材料提供很大的容量。目前市场对于锂离子电池正极材料的要求更偏向于高的能量密度和安全性，因此，提升三元材料中镍的含量是一种简单而有效的措施，因此制备循环稳定性高，倍率性能优异的高镍三元材料一直是人们研究的重点。

针对高镍三元材料的缺点，人们提出了很多改性的方法，例如掺杂、包覆等，但对于纯相一般都是通过氢氧化物共沉淀结合高温固相烧结来制备。在氢氧化物共沉淀的过程中，由于正二价的锰极易被空气氧化为正四价存在于前驱体中，影响前驱体的晶体结构，从而影响烧结后材料的性能，因此需要在前驱体的制备过程中通入惰性气体保护，这一步骤显著增加了制备的难度和批次稳定性。研究者们也提出了许多制备三元材料的方法，但仍需进一步改进，以提高其循环稳定性和倍率性能。

中国专利CN108206279A公布了一种锂离子电池高镍三元正极材料，化学通式为LiNi_xM_1-xO₂，其中，0.5≤x＜1，M为Co、Mn、Al中的一种或几种，锂离子电池高镍三元正极材料的表面包覆有锂盐包覆层，锂盐为含有-COOLi官能团的锂盐。该发明通过对高镍材料表面的残锂进行改性形成一层稳定的锂盐包覆层，既可去除表面残锂并包覆在材料表面形成保护层，又可抑制碳酸锂的生成，且不会破坏材料的晶体结构；但是该专利仅对共沉淀法制备得到均相锂离子电池高镍三元正极材料进行表面残余碱的处理，并未从根本上改善高镍三元材料的镍锂混排现象，当过渡金属离子和锂离子之间发生混排后，由于过渡金属离子会阻碍离子的运动，所以阳离子混排会引起材料在可逆容量、首次效率、倍率性能等方面电化学性能下降。并且，该专利采用的处理剂具有一定的局限性，酸性过高的处理剂会破坏材料的晶体结构，还有可能加重镍锂混排。因此，从合成路线上直接解决镍锂混排，也是进一步提升材料电化学性能的一种重要方法。