[发明专利]降低正极材料表面残留碱含量的方法及其应用

说明书

本发明公开了降低正极材料表面残留碱含量的方法及其应用。其中降低正极材料表面残留碱含量的方法包括：将表面有碱残留的镍钴锰三元正极基体材料与包覆剂混合并进行焙烧处理，使得所述正极基体材料表面的残留碱与所述包覆剂反应，以便在所述正极基体材料表面形成包覆层，得到表面碱残留含量低的正极材料。该方法不仅可以有效解决现有去除残留碱的方法对正极材料性能及环境造成的危害，还能提高锂离子电池的电化学性能、安全性能及使用寿命。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体而言，涉及降低正极材料表面残留碱含量的方法及其应用。

背景技术

目前，锂离子电池用三元正极材料NCM111、NCM523、NCM622已经量产使用，但是当前主流的电池技术所采用的正极材料仍不能完全满足高能量密度、长续航里程等的要求，为解决里程焦虑问题，研究者们一直试图开发高能量密度的锂离子电池正极材料，如NCM811等，但是随着正极材料镍含量的提高，Li/Ni混排现象加剧。为了很好地形成层状结构，合成过程中需放入过剩的锂源，合成后产生Li₂O状态未反应的锂氧化物，这种未反应的锂氧化物会和空气中的水和二氧化碳等发生反应形成LiOH、Li₂CO₃并残留在正极材料表面。然而，高镍正极材料大幅增加的表面残留碱性杂质会导致锂离子电池在充放电过程中出现严重的产气问题，从而导致电池膨胀变形、循环搁置寿命变短以及存在安全隐患等问题。因此，高镍正极材料表面高的残留碱含量成为制约其在高能量密度动力电池中应用的关键因素之一。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出降低正极材料表面残留碱含量的方法及其应用，以显著降低正极材料表面的残留碱含量并改善其电化学性能。

本发明主要是基于以下问题提出的：

目前，降低正极材料表面残留碱含量的方法主要有调整合成工艺、采用去离子水或有机溶剂清洗来去除正极材料表面残留碱。具体地，调整合成工艺又包括调整正极材料前驱体与锂源(如LiOH·H₂O或者Li₂CO₃)的比例、调整反应温度以及反应时间等，目前有在烧结反应混料时使得正极材料前驱体在合成反应中过量，锂源比例降低，使化学反应平衡沿着生成正极材料的方向移动，降低最终成品中的残留碱含量，但是该方法仅能降低约20％的残留碱，在实际生产中多用于微调和平衡镍钴锰酸锂正极材料中残留碱含量与压实密度，不能高效改善正极材料性能，例如可能需要数次加入锂源，制备时间延长，耗能高、成本高而且其容量保持率低；也有提高反应温度以及延长反应时间来降低正极材料表面残留碱，但是该方法容易导致锂镍混排尤其对于高镍材料，从而导致制备的正极材料结构不稳定，降低材料的电化学性能。此外还有采用弱酸类试剂对正极材料进行清洗处理，然而该方法中弱酸类试剂与表面残留碱反应容易生成水，且有机类弱酸试剂在使用过程中对环境危害大且成本高。因此，降低正极材料表面残留碱含量的方法仍有待进一步改进。

为此，根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种降低正极材料表面残留碱含量的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

将表面有碱残留的镍钴锰三元正极基体材料与包覆剂混合并进行焙烧处理，使得所述正极基体材料表面的残留碱与所述包覆剂反应，以便在所述正极基体材料表面形成包覆层，得到表面碱残留含量低的正极材料。

进一步地，所述正极基体材料为Li_aNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，其中，x的取值范围为0.3～0.9，y的取值范围为0.1～0.35，a的取值范围为0.95～1.03。

进一步地，所述包覆剂包括锰盐和第一锂盐，所述锰盐与所述第一锂盐和所述正极基体材料表面的残留碱反应形成所述包覆层。