[发明专利]一种高镍无钴四元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高镍无钴四元正极材料及其制备方法，该正极材料化学式为LiNi_xMn_yM_zN_{(1‑x‑y‑z)}O₂，其中0.8≤x1，0y0.2，0z0.2，M和N为Al，Mg，Zr，Ti，Cr，W，V，Ce，Fe，Cu，Zn，Nb中任意两种的组合。本发明的主要优势为：未使用昂贵的钴元素，前驱体制备过程中未使用氨水络合剂，一次烧结获得的高镍无钴四元正极材料表面碱含量低，不涉及材料的水洗和二次烧结过程，这使得制备成本大大下降；此外，所述高镍无钴四元正极材料具有极佳的倍率性能，1C倍率下比容量达到200mAh/g以上，而且循环稳定性优异，经过500次循环后容量保持率超过95％。

技术领域

本发明涉及锂电池材料技术领域，具体涉及一种高镍无钴三元正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度和长寿命，因此是电动汽车和其它电动工具的理想能量来源。在层状过渡金属氧化物正极材料中，镍钴锰酸锂具有较高的比容量，因此吸引了众多人的研究。

在镍钴锰酸锂正极材料中，镍主要扮演着参与氧化还原反应、提供容量的角色，钴具有稳定结构、抑制锂镍混排和相变的作用，锰则主要具有改善热稳定性和安全性的作用。镍、钴、锰三者之间的协同作用使得镍钴锰酸锂三元材料具有良好的电化学性能。

随着人们对锂离子电池续航要求的提高，需要开发具有更高比容量的正极材料。因此，近年来高镍三元正极材料受到广泛关注。相对普通三元正极材料，高镍三元正极材料具有更高的镍含量，从而比容量也更高。然而，镍含量的提高在有效提升三元正极材料比容量的同时也带来了许多弊端，例如材料中阳离子混排严重、表面碱高、材料结构不稳定易发生相变等，这些问题都会引起三元正极材料结构稳定性和电化学循环性能的下降。因此，需要开发高稳定性的高镍三元正极材料。为了改善高镍三元正极材料的电化学性能，需对其进行改性，目前常用的方式包括离子掺杂、表面包覆和制备梯度材料等，这些改性过程都使得制备过程更加复杂，制备成本进一步提高。

目前研究的各种三元正极材料中，钴元素都是不可缺少的，然而由于全球钴资源稀缺且分布较为集中，使得含钴原材料价格越来越高，这大大增加了正极材料的成本，进而阻碍了锂离子电池技术的产业化发展。因此，降低三元正极材料中的钴含量甚至开发无钴材料是目前正极材料的研发趋势。比如有学者研究了镍锰酸锂、镍镁酸锂、镍铝酸锂等二元体系的正极材料，但相对于三元正极材料，这种二元正极材料的比容量和循环性能均有不同程度的下降，因此很难进行产业化。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高镍无钴三元正极材料及其制备方法，以相对廉价的过渡金属元素取代了三元材料中的钴元素，大大降低了三元正极材料的开发成本。

为了达到上述技术效果，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种高镍无钴四元正极材料，所述高镍无钴四元正极材料的化学式为LiNi_xMn_yM_zN_(1-x-y-z)O₂，其中0.8≤x1，0y0.2，0z0.2，M和N为Al，Mg，Zr，Ti，Cr，W，V，Ce，Fe，Cu，Zn，Nb中任意两种金属的组合。

本发明还提供了一种高镍无钴四元正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将可溶性镍盐、锰盐按化学式计量比混合，加入去离子水，制得混合盐溶液A1；或者将可溶性镍盐、锰盐和含有M的可溶性盐按化学式计量比混合，加入去离子水，制得混合盐溶液A2；或者将可溶性镍盐、锰盐和含有M、N的可溶性盐按化学式计量比混合，加入去离子水，制得混合盐溶液A3；

(2)将氢氧化钠或氢氧化钾加入到去离子水中，配置得到沉淀剂溶液B；