[发明专利]锂离子电池正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了锂离子电池正极材料及其制备方法与应用。锂离子电池正极材料的制备方法，包括：通过使金属醇铝盐水解以在镍钴二元前驱体表面包覆拟薄水铝石层得到三元前驱体，二元前驱体的化学式为Ni_xCo_y(OH)₂，其中，x和y均大于0，且x+y＝1；将三元前驱体与锂盐混合均匀后，于氧气气氛下烧结得到LiNi_aCo_bAl_cO₂，其中a、b和c均大于0，a+b+c＝1。锂离子电池正极材料，采用本发明提供的制备方法制得。通过本发明提供的制备方法制得的正极材料电化学性能稳定，化学成分均匀，粒径分布窄且均匀等特点。该正极材料可应用于制备锂离子电池正极或锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及锂离子电池正极材料及其制备方法与应用。

背景技术

近三十年来，锂离子电池在消费电子、通信通讯、电动汽车和大型储能电站等领域得到广泛应用。随着电动汽车的迅速发展，其续航里程的缺点日益凸显，随之不断提升锂离子电池能量密度的呼声越来越高。到2020年，我国对锂离子动力电池电芯能量密度的期望值将达到350Wh/Kg。基于锂离子电池的能量密度是由电池的理论能量密度和非活性材料比重所决定的，除了减少非活性材料的使用量以外，电池能量密度的提高主要取决于高能量密度电极材料体系的研究。因此，开发高容量正极材料是实现高能量密度锂离子电池发展的关键问题之一。

层状结构的镍钴铝三元正极材料由于具有高容量在电化学领域引起了广泛关注。其中，高镍三元材料在提升锂离子电池更高能量密度的同时，降低了钴的使用量，进一步降低电池制造成本而近年来受到普遍关注。然而镍钴铝三元正极材料由于在合成过程中易偏离化学计量比，且循环过程中易发生结构转变，导致材料的循环性能、安全性能及储存性能较差，阻碍了三元材料在动力电池领域的大规模应用。

目前，镍钴铝三元材料的制备和性能存在以下问题：(1)阳离子混排。由于Ni²⁺和Li⁺的离子半径接近，未完全氧化的Ni²⁺迁移到锂层，以及在充电过程中，过渡金属层中的低价镍也会迁移到锂层，并占据锂空位，形成阳离子混排，将会阻碍锂离子的脱嵌，最终影响层状三元材料的电化学性能；(2)热分解温度低。三元正极材料的热分解温度是影响电池热失控的关键因素。材料中的镍含量越高，热分解温度越低，则热稳定性越差；(3)脱锂过程引起相结构变化。随着充电过程的进行，表层结构出现过度脱锂现象的同时，镍钴铝三元正极材料的层状结构也逐步向尖晶石、惰性岩盐相结构转变，最终在材料表层形成较厚的NiO惰性层；(4)三元正极材料表层存在的强氧化性高价过渡金属离子与电解液发生副反应后，会造成电池的极化增大、容量的快速衰减；(5)三元材料粉体颗粒一般是由一次纳米级粒子团聚长大而形成的二次粒子。因一次粒子的无序分布和团聚使得二次粒子中存在不同程度的应力和畸变。随着锂离子的脱嵌，三元材料体积膨胀与收缩可达3.9％左右，材料颗粒内部不断出现的新裂纹暴露出新鲜的表面，继续与电解液发生副反应，最终造成电极材料的粉化和电池失效。

CN108172824A公开一种制备电极材料前驱体镍钴铝的方法，将镍盐、钴盐和偏铝酸盐配置成一定浓度的合成溶液，分别以氨水、氢氧化钠为络合剂和沉淀剂，水为底液。将合成溶液、络合剂和沉淀剂一起并流加入到反应釜，控制溶液体系pH值为9～12，保持反应温度70～100℃，持续反应48～96h，经固液分离、洗涤和干燥后得到球形氢氧化物前驱体，具有颗粒均匀、分散性好的特点。

CN104425815A公开高密度球形镍钴铝酸锂材料及其前驱体的制备方法，该方法在铝盐溶液中加入络合剂，将镍钴盐混合液、铝盐和含氨强碱溶液同步注入反应器，控制pH值为10～12.7，经固液分离、洗涤和干燥后得到球形氢氧化物前驱体。将前驱体与锂盐混合烧结后的三元正极材料，0.1C初始放电容量为195.5mAh/g，首次效率可达到91.2％。1C循环50周，容量保持率为85.5％。