[发明专利]一种单晶三元正极材料、连续制备方法和装置以及应用

说明书

本发明公开了一种单晶三元正极材料、连续制备方法和装置以及应用。本发明先将过量的锂源及助熔盐熔融为液态，再加入前驱体进行烧结；然后在混合熔盐仍为液态状态下，使用筛网将烧结得到的固体材料从混合熔盐中分离，获得单晶镍钴锰三元正极材料；将剩余混合熔盐回收循环利用。本发明随着烧结次数的增加补充所需盐类即能够连续的、重复利用熔盐，降低实际生产成本，方法工艺简单，易于大规模生产利用。且获得的单晶正极材料具有较好的层状结构，阳离子有序度较高，颗粒大小均匀，单晶形貌突出。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种单晶三元正极材料、连续制备方法和装置以及应用。

背景技术

相较于其他二次电池，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电小等优点，已经广泛应用于手机、电脑等数码产品。在锂离子电池中，负极材料能量密度远高于正极材料，因此正极材料发展成为限制锂离子电池整体性能提升的重要因素。目前，商用锂离子电池正极材料主要有磷酸铁锂、钴酸锂、三元正极材料等，其中三元正极材料具有相对较低的成本及更高的能量密度。然而，商业化三元正极材料大多是由一次颗粒聚集撑的二次粒子，在充放电过程中，锂嵌入、脱出导致各向异性的体积膨胀，从而使材料发生晶界断裂，导致材料内部缝隙增加，离子扩散路径增长，副反应加剧，限制三元材料在高电压条件下的应用。

单晶三元正极材料具有较高的振实密度，不易发生晶面断裂，颗粒内部缝隙少。在使用熔盐法制备单晶三元正极材料的过程中，通常将熔盐和产物混合物共同水洗，过滤，熔盐溶解在水中以滤液形式和产物分离。但由于熔融盐冷却后硬度较大，需要使用较多水将其溶解，使用过多的水易对三元材料性能造成损害，并且盐溶解在水中之后，剩余的熔盐难以重复利用，水洗后产生大量盐溶液，不仅使成本大幅升高，而且增大了污水处理系统的压力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种单晶三元正极材料、连续制备方法和装置以及应用，解决了上述背景技术中熔盐重复利用等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种单晶三元正极材料的连续制备方法，包括如下步骤：

(1)将过量的锂源及助熔盐混合，升高温度使其熔融为液态，得到混合熔盐；

(2)在所得混合熔盐中加入前驱体，在含氧气氛中烧结，得到粒径为0.5～10μm的固体材料；所述前驱体的化学式为Ni_xCo_yMn_z(OH)₂，其中x≥0.6，x+y+z＝1；

(3)在混合熔盐仍为液态状态下，使用筛网将所述固体材料从混合熔盐中分离，进入步骤(4)；将剩余混合熔盐回收，进入步骤(5)；

(4)将分离出的固体材料水洗、烘干、复烧，获得单晶镍钴锰三元正极材料，化学式为LiNi_xCo_yMn_zO₂，其中x≥0.5，x+y+z＝1；

(5)将回收的混合熔盐回到步骤(2)中循环利用，随着烧结次数的增加补充锂源及助熔盐。

在本发明一较佳实施例中，所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、醋酸锂、氯化锂中的至少一种。所述助熔盐为硫酸锂、氯化锂、硝酸锂、醋酸锂、氢氧化锂、氯化钠、硫酸钠、硝酸钠、醋酸钠、氯化钾、氢氧化钾、醋酸锰、醋酸钴或醋酸镍。

在本发明一较佳实施例中，所述前驱体为球形颗粒，粒径1～15μm。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤(2)中，烧结温度为400～1000℃，烧结时间为10～30h，烧结气氛为氧气或空气。

在本发明一较佳实施例中，所述筛网的材质包括铂丝、铑丝、钛丝、合金、不锈钢、镉镍不锈钢、铁铬铝丝或蒙尔乃丝。