[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了长循环、高功率的锂离子电池正极材料，分子式为LiNi_xCo_yMn_{1‑x‑y‑z}Z_zO₂，包括由一次颗粒相互融合而成的单晶或类单晶壳层和中空部分，二次颗粒的中空部分体积占整个二次颗粒的0.8～50%。还公开了制备方法，包括：制备沿径向存在结晶度与形貌差异的氢氧化物前驱体；将前驱体与锂的化合物混合，将混合物进行两阶段烧结，即得；第一烧结为快速升温，第二烧结的温度大于第一阶段，第二烧结能使一次粒子熔融并相互融合形成单一的单晶壳层。本发明的锂离子正极材料常温和高温循环性能及安全性能好，且能提升机械、电化学性能和压实密度，有可快充、高容量、高电压、高循环、低成本的特点，可适用于高功率动力车。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种长循环、高功率的锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型绿色储能器件，以其优越的性能，在二次电池领域占有举足轻重的地位。而其中正极材料是影响锂离子电池性能的核心，目前用于锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂和三元材料等。

但随着能量密度的不断提升以及国家政策的激励，动力电池呈现出飞速的发展形态，而三元材料由于其高容量的优势被众多新能源汽车所使用，目前市场上所流行的三元材料从形貌上区分主要是单晶/类单晶和二次颗粒状。两者各有优势，单晶循环好而容量发挥以及倍率性能上不足，二次颗粒容量、倍率上有优势但循环性能较差。目前市面上的乘用车各式各样EV、BEV、PEV、PHEV，不同的车型需要与之相应的功能的三元材料。但正如功率型pHEV对三元材料的倍率性能提出来很高的要求，因此目前将材料设计成为一种中空/多孔的结构，促使锂离子能够更为快速的嵌入/脱出以便具有优异的倍率性能，但这种结构存在一定的不足，如压实密度小、循环性能较差等。

发明内容

本发明针对目前功率型正极材料存在的一些问题，旨在提供一种长循环、高功率锂离子电池单晶型中空正极材料及其制备方法，以提升材料的压实以及循环性能。

为实现以上目标，本发明采用如下的技术方案：

一种锂离子电池正极材料，该锂离子电池正极材料为单晶或者类单晶形貌，其二次颗粒呈中空结构，包括由一次颗粒相互融合而成的单晶壳层和单晶壳层内的中空部分，所述锂离子电池正极材料的分子式为为LiNi_xCo_yMn_1-x-y-zZ_zO₂，所述二次颗粒的中空部分体积占整个二次颗粒的0.8～50%。优选地，一次颗粒经高温熔融实现相互融合形成单晶壳层；一次颗粒间实现相互完全融合成为一个单晶壳层整体。

优选地，所述锂离子电池正极材料的分子式为为LiNi_xCo_yMn_1-x-y-zZ_zO₂，其中，0.2x0.95，0y0.4，0z0.05，其中Z为Al、Zr、Ti、Co、Mg、Nb、Mo、Sr、Ta、Sn、W、B和Y一种或者多种组成。

优选地，所述二次颗粒的平均直径在1～6 μm之间，进一步优选，二次颗粒的平均直径为1～5μm，更进一步优选为2～4 μm，所述二次颗粒的中空部分体积占整个二次颗粒的2～10%。

优选地，所述正极材料是通过将包括沿径向存在结晶度与形貌差异的前驱体粒子与锂化合物的混合物进行两段烧结得到，所述第一段烧结为快速升温，所述第二段烧结的温度大于第一段烧结的温度，且所述第二段烧结能使一次粒子相互融合形成单一的单晶壳层。基于氢氧化物前驱体内外构成的结晶度与形貌的差异，通过快速升温状态下内外离子扩散程度的差异化而形成的中空结构。沿径向存在结晶度与形貌差异的前驱体粒子是指其剖面图中，内核为稀疏多孔小片堆积，外部为厚片状相互交错而成。从一次颗粒大小和排列可以看出结晶度的差异。