[发明专利]一种单晶电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单晶正极材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)用化学共沉淀法分别合成高镍镍钴锰三元前驱体和镍钴锰铝钛五元高熵正极材料前驱体；(2)采用一次烧结将高镍镍钴锰前驱体焙烧成较小颗粒单晶材料；(3)在较小颗粒单晶材料基础上加上粘结剂和高熵五元前驱体粉进行二次烧结，使高熵五元前驱体在镍钴锰单晶表面继续长大，得到产品内层为高镍镍钴锰三元单晶，外层为高熵镍钴锰铝钛五元单晶材料。本发明外层采用高熵材料包裹有效提高了高镍三元单晶充放电时锂离子扩散速率，进而提升了单晶材料的容量及倍率性，且外层为高熵材料也进一步提高其高温热稳定性和循环性。

技术领域

本发明属于高熵单晶材料领域，具体涉及一种单晶正极材料及其制备方法。

背景技术

高镍正极材料(LiNi_xCo_yM_zO₂，其中x+y+z＝1,x≥0.6，M＝Mn、Al)在目前实际应用的锂离子电池正极材料中具有明显的能量密度优势，可以较好满足当前电动汽车、数码电子产品、军事和航天等领域对电池能量密度日益增长的需求。但是随着镍含量升高到0.6以上，材料的循环性能(尤其在高温下)、自身的热稳定性和储存性能等问题急剧恶化，因此限制了其实际应用，尤其限制其在大容量电池中的应用。

单晶正极材料由一个或几个大晶粒组成，而传统的多晶材料通常是许多亚微晶的球形聚集体。多晶正极材料中的颗粒粉碎是其较常见的失效形式之一，导致活性材料剥落和表面积增加，这在富镍材料中尤其明显。因此，使用单晶NCM可以有效地改善其循环性能。

近年来，高熵材料(HEM)以其独特的结构特征，可调节的化学成分和相应的功能特性，引起了人们对环境科学和可再生能源技术领域日益增长的兴趣。

卡尔斯鲁厄理工学院的Ben Breitung和Torsten Brezesinski等人，对高熵材料在能源领域的应用进行了全面的综述。最近的研究进展表明，HEM在能源应用方面具有巨大潜力。主要代表是HEA(高熵合金)和HEO(高熵氧化物)。通过对高熵系统的组成进行调整，可以实现其有潜力的功能特性，如电催化活性、气体吸收能力、电化学电荷存储等。

研究发现多元材料颗粒单晶化可以显著改善其循环寿命和安全性能。但目前单晶正极材料也出现一些不足之处，比如其一次颗粒大小在几个微米，尺寸较大导致充放电过程锂离子扩散较为困难，使其放电容量和倍率性都要比同等多元正极材料低些。

为解决上述问题，经检索，专利公开号为CN112820868A，公开日为2021年5月18日，发明名称为一种包覆型镍钴锰三元单晶材料及其制备方法，该包覆型镍钴锰三元单晶材料的制备方法将钛铝复合氧化物和镍钴锰前驱体固溶体加入有机溶剂中，充分混合均匀后，分离、干燥、过筛，得到混合粉体，将所述混合粉体热处理后，烧结，得到钛铝复合氧化物包覆的镍钴锰三元单晶材料。该方法中将镍钴锰三元单晶材料表面包覆层包括钛铝复合氧化物。其不足之处在于，该方法采用水热合成法得到前驱体固溶体，成本要高出常用共沉淀法较多且该发明的前驱体要加入到有机溶剂中包覆，需要的有机溶剂量巨大，造成环境污染和资源浪费，很难工业化生产。