[发明专利]一种高容量富镍前驱体、正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高容量富镍前驱体、正极材料及其制备方法，具体为先分别制得镍、锰盐的混合溶液、碱溶液和氨水溶液，在一定条件下快速制备前驱体Ni_xM_1‑x(OH)₂，随后将前驱体与锂源通过球磨、喷雾混合均匀，在高温、氧气气氛下进行烧结，得到富镍正极材料。本发明所述富镍正极材料的制备方法，反应时间短，能源消耗低，对设备要求低，极大的降低了材料的制备成本。并且通过本发明制备的富镍正极材料具有颗粒大小可控、形貌均匀、放电比容量高、电化学性能好等优势。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种高容量富镍前驱体、正极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，锂离子电池在电动汽车与能源存储领域的应用占比逐年上升，2017年电动汽车领域对三元NCM正极材料的需求量是2.71万吨，2018年该需求迅速增长至6万吨。在21世纪倡导绿色环保、经济节能理念的社会背景下，锂离子电池的市场需求必将出现巨大增长。但是电动汽车储能市场对未来软包水平锂离子电池提出了更高的要求：“能量密度超500Wh/Kg，价格低于100美元/千瓦时”。在这种市场需求下，大量使用高价格、低容量的钴基三元正极材料已经很难再满足市场需求，开发制备低成本且高容量的正极材料成为主流趋势，而富镍含量的正极材料正好满足了该要求。众所周知，三元正极材料的容量是随镍含量升高而增加，过渡金属元素镍的主要作用是在正极材料充放电过程中参与氧化还原反应，为材料提供容量。增加正极材料中金属镍元素的含量可以有效地提高材料的容量。

根据最近研究报道，富镍的NCM、NCA三元材料和无钴富镍正极材料放电比容量可以突破220mAh/g，相比目前市场上商用的正极材料，已经具有大幅的提升。但富镍正极材料的合成方法延用了三元正极材料的制备方法，主要有高温固相法、溶胶凝胶法、熔盐法和共沉淀法。高温固相法存在的问题是，反应时间长、能耗较大、原料混合不均匀、产物化学计量比难以控制等；溶胶凝胶法存在的问题是，贵金属使用、干燥复杂、难以大规模化等；熔盐法存在的问题是，原料贵、产量低、大规模化难度高等；因此共沉淀法成为目前使用最为广泛的方法。但是传统的共沉淀方法对设备要求高、需要精确控制反应条件、反应时间很长、合成过程能耗高、氨挥发严重等，增加了正极材料前驱体合成的成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高容量富镍前驱体、正极材料及其制备方法，先采用快速共沉淀反应，结合喷雾干燥技术，最终制备粒径均匀且性能优异的富镍正极材料，该方法大大降低了层状正极材料的制备成本。

为了达到上述技术效果，本发明采用了如下技术方案：

一种高容量富镍正极材料，其特征在于，所述富镍正极材料的化学式为LiNi_xM_1-xO₂，其中0.7≤x＜1，M选自Ni、Co、Mn、Mg、Al、Zr、Ti、W、Mo、Fe、Nb、Ir、Sn等中的一种或多种

本发明提供一种高容量富镍正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)混合锂源：将富镍前驱体与锂源按照物质的量比为Li：M＝(1+x):1混合得到混合物，其中M为金属元素，x的值为1％～5％；

(2)喷雾干燥：将混合物通过喷雾干燥机进行干燥造粒得到干燥粉末，控制进风口温度为200～300℃，进料蠕动速度为5～40rpm；

(3)固相合成：将干燥粉末在管式炉中烧结，烧结过程连续通入氧气，烧结完成后自然冷却至室温，收集烧结粉末，并将粉末研磨粉碎，得到富镍锂离子正极材料LiNi_xM_1-xO₂，其中0.7≤x＜1。

进一步的技术方案为，所述其他金属M选自Ni、Co、Mn、Mg、Al、Zr、Ti、W、Mo、Fe、Nb、Ir、S中的一种或多种。