[发明专利]一种单晶型锂的过渡金属氧化物正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种单晶型锂的过渡金属氧化物正极材料的制备方法，利用混合锂盐作为助熔剂，将混合锂盐与锂的过渡金属氧化物正极材料的前驱体进行混合、煅烧、过滤、干燥、二次煅烧得到单晶型锂的过渡金属氧化物材料；所述锂的过渡金属氧化物正极材料的前驱体为过渡金属氢氧化物、过渡金属氧化物或过渡金属碳酸盐。该合成方法工艺简单、成本低廉，适合单晶型锂的过渡金属氧化物的大规模生产，且制备的单晶型锂的过渡金属氧化物的晶型好、颗粒尺寸较大，用作锂离子电池正极材料时表现出优异的电化学性能。这类材料可用作高比能和高比功率锂离子电池的正极材料，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于能源材料和锂离子电池制备技术领域，具体涉及一种利用复合助熔剂法制备单晶型锂的过渡金属氧化物正极材料的方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，目前广泛应用在日常生活中笔记本电脑，手机，相机等各种其他电子设备，并逐步向电动车、国防装备电源等方向发展。为了满足对电池能量和功率密度的要求，新一代锂离子正极材料逐渐向高比能量正极材料发展。

锂离子电池的电极材料特别是正极材料，是制约锂离子电池能量密度的关键之一。目前商业化的三元正极材料主要为多晶颗粒体系，相比单晶颗粒体系，多晶颗粒体系的材料在辊压和循环充放电过程中容易发生破裂，粉化，电极表面易产生微裂纹等问题。以上问题将加速材料性能的衰减。合成单晶型材料是改善电池性能和提高电化学容量的有效办法。单晶材料颗粒均一，各向异性好，有较好的机械应力和耐压性，从而使材料在电极辊压和充放电过程中不易破裂，并减少微裂纹的产生。一种常用的单晶型正极材料的制备方法是提高煅烧温度，但在烧结过程中一次颗粒易团聚，分散性差，需要较长的烧结时间，较高的温度，以及缓慢的升温速率。汪萍等通过900℃高温固相烧结制备了LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂，其部分发生了一次颗粒的团聚，分散性相对较差，1C倍率下首圈139.6mAh/g，比容量相对较低(镇江高专学报,2015,28(01):62-65长循环单晶镍钴锰三元正极材料的制备和表征)。另一种方法则是助熔剂法，其制备的材料分散性好，粒径可控，烧结过程简易。目前已经发现的制备锂的过渡金属氧化物的助熔剂，大多均具有较高的熔点。Kim Y等人使用NaCl(800℃)，KCl(700℃)作助熔剂900℃下制备NCM811单晶材料。首圈0.1C首圈放电176mAh/g(ACSapplied materialsinterfaces,2012,4(5)，2329-2333：Lithium nickel cobaltmanganese oxide synthesized using alkali chloride flux:morphology andperformance as a cathode material for lithium ion batteries)；Kimijima T等人使用LiMoO4(705℃)作助熔剂在900℃制备NCM333单晶材料，0.1C倍率下，首圈放电比容量为153mAh/g(Journal of Materials Chemistry A,2016,4(19)，7289-7296：Molybdate fluxgrowth of idiomorphic Li(Ni_1/3 Co_1/3 Mn_1/3)O₂ single crystals andcharacterization of their capabilities as cathode materials for lithium-ionbatteries)。可以发现，其制备的材料比容量都相对较低，这是由于助熔剂熔点较高，接近材料的烧结温度，在烧结前期助熔剂并未形成熔体，未与烧结前体充分反应。具有较低熔点的复合助熔剂材料可以在烧结初期就与助熔剂充分接触，制备出结晶程度更好的一次颗粒，但至今尚未被广泛应用到锂离子电池正极材料的制备过程中。

发明内容