[发明专利]一种掺杂的高镍高电压NCM正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺杂的高镍高电压NCM正极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域，通过同时掺杂锰和钴得到NCM前驱体，再通过在前驱体中加入掺杂物M和在高压氧气气氛下烧结，得到锂离子电池正极材料，本发明的正极材料具有很高的放电比容量和优异的循环稳定性能，不仅能够满足大倍率充放电需求，而且可以在高电压下长寿命安全循环；采用四种溶液并流共沉淀结合高压固相合成法制备该正极材料，制备的产品纯度高、结晶品质高、产物颗粒密度大且分布均匀、电化学性能优异且制造成本低，是高能量密度的理想正极材料，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其涉及一种掺杂的高镍高电压NCM正极材料及其制备方法。

背景技术

随着全球环境的日益恶化以及化石能源资源的枯竭，节能减排和绿色能源的研发已经迫在眉睫刻不容缓，国内外都非常重视新能源以及可再生清洁能源的开发与应用。锂离子电池是其中一种具有较好前景的新型的绿色环保的能源。由于它具有能量密度高、可快速充电、自放电小、可长时间储存、循环性能优越、无记忆效应、工作温度宽、轻量化等优点，锂离子电池已经广泛应用于各种便携式电子设备上，且正在逐渐成为电动汽车和混合动力汽车的理想动力电源。

目前已批量应用于锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、镍钴锰酸锂(LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂)。其中，钴酸锂是最早实现商业化应用的正极材料，具有成熟的规模化生产技术，并已广泛应用于低功率的可移动电子产品上，但钴资源匮乏、价格昂贵，毒性较大，不够环保；锰酸锂虽然资源丰富，价格低廉，对环境无污染，脱嵌电位高，功率密度较大，但是其低容量和不稳定的循环性能限制了其应用；磷酸铁锂正极材料虽然环保无毒，矿产资源丰富，原料成本低廉，温度耐受性极佳，循环稳定性能优越，但其离子和电子导电性较差，密度小，体积大，能量密度低及低温性能欠佳，使其应用和发展均受到了限制，尤其在续航里程和低温性能两大短板方面限制了其难以大规模应用。

镍酸锂LiNiO₂正极材料和LiCoO₂正极材料都是具有层状结构的材料，其放电比容量高达210mAh/g，比LiCoO₂放电比容量140mAh/g高出很多，功率密度和能量密度大，良好的导电性能，相对便宜的价格和较低的毒性，使得镍酸锂正极材料很有希望取代钴酸锂正极材料，尤其在电动汽车和混合动力电动汽车方面应用前景较好。然而，镍酸锂制备条件极为苛刻，不易制得理想化学计量比的产物，电化学循环性能差、热稳定性较差和充电过程中有氧气析出的安全问题，限制了其实用化的过程。而LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂正极材料可以看着是LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂三者的固熔体，它兼具了LiCoO₂的高稳定性和循环长寿命及高电导率、LiNiO₂的高比容量和低廉成本、LiMnO₂的高热稳定性和高安全性。三者有机结合造就了该正极材料特别适合于制造高能量密度锂离子动力电池，尤其是高镍LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂正极材料，在电动汽车上使用可有效大幅提升续航里程、提高安全性和循环寿命。但是由于该材料在生产过程中使用强碱氢氧化锂作为锂源，而且锂源大大过量，导致了最后成品的表面残碱过量，吸水性极强，加工性能和储存性能不佳，使用环境极为苛刻。因此必须找到一种降低表面残碱含量、提高加工性能的方法。此外，由于该产品是在纯氧气气氛下中高温烧结的，由于设备需要排气，导致烧结炉内氧气的压力低，氧气利用率低于20％，导致了产品的成本上升，且产品的性能也受到不利影响。

发明内容