[发明专利]一种原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料

说明书

本发明涉及一种原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料，属于化学储能电池领域。首先通过共沉淀法合成单晶NCM三元材料的前驱体，随后将其与锂盐按照一定比例混合，并干混入同时作为助熔剂和包覆原料的铝和锆的无机盐，在高温下进行煅烧，最终制备得到原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料。所述单晶NCM三元材料表面包覆的锆酸铝锂能够隔绝电解液与单晶NCM三元材料的直接接触，从而降低界面副反应，提高单晶NCM材料的化学稳定性和结构稳定性；同时锆酸铝锂具有快离子导体特性，能够加快锂离子的输运，从而降低材料极化现象，提高其电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料，属于化学储能电池领域。

背景技术

在我国大力推动绿色能源行业发展的大背景下，新能源汽车作为取代传统燃油汽车的首要选择得到了人们的广泛关注。相比于传统燃油汽车，新能源汽车采用动力电池作为能量输出装置，但是目前的车用动力电池的性能尚不能完全取代燃油汽车发动机的地位，主要原因是现阶段的动力电池的能量密度较低，无法完全解决人们对电动汽车的里程焦虑问题。现阶段的高能量密度动力电池普遍采用的正极材料为镍钴锰(NCM)三元材料，其中Ni含量越高，充电过程中材料中脱出的Li⁺越多，则NCM三元材料的放电比容量越高。因此高镍含量的NCM正极材料在近年来得到长足发展。

传统的NCM正极材料一般采用共沉淀法和煅烧法合成。为了获得较高的压实密度以提高其体积能量密度，NCM三元材料一般被设计为球形的多晶二次颗粒。这种二次颗粒是由多个小的纳米级单晶一次颗粒无规则的堆砌而成的。在充放电过程中，Li⁺从Li层中脱出或嵌入，相应的一次颗粒的晶胞体积根据Li⁺的脱嵌而发生变化，并挤压或拉扯周围的一次颗粒。在长循环过程中，多晶NCM三元材料一次颗粒的体积反复变化会使得多晶NCM三元材料的二次颗粒沿着一次颗粒之间的晶界产生裂纹，继而加剧电解液对正极材料的渗透和侵蚀。鉴于多晶NCM材料的结构特征，近年来单晶NCM三元材料的研究和开发也逐渐引起人们的注意。单晶NCM三元材料相比于传统的多晶材料，没有一次颗粒及晶界结构，因此不存在颗粒沿着晶界开裂的可能。但单晶NCM三元材料一般为微米级单晶颗粒，其比表面积相比于多晶NCM材料较大，因此更容易与电解液发生界面副反应，导致金属离子溶出和表面相变等问题，恶化单晶NCM三元材料的电化学性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料。首先通过共沉淀法合成单晶NCM三元材料的前驱体，随后采用将其与锂盐按照一定比例混合，随后干混入含铝助熔剂和含锆助熔剂，在高温下进行煅烧，最终制备得到原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料。单晶NCM三元材料表面包覆的锆酸铝锂能够隔绝电解液与单晶NCM三元材料的直接接触，从而降低界面副反应，提高单晶NCM材料的化学稳定性和结构稳定性。同时锆酸铝锂具有快离子导体特性，能够加快锂离子的输运，从而降低材料极化现象，提高其电化学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料，所述材料通过以下方法制备得到，所述方法步骤包括：

(1)将镍钴锰氢氧化物与锂盐按照摩尔比1:1.07～1:1.5进行混合，加入无水乙醇研磨至干，得到混合粉末1；

(2)将由含铝助熔剂和含锆助熔剂形成的混合粉末2与所述混合粉末1混合并研磨均匀，得到混合粉末3；其中，混合粉末2在混合粉末3中的质量分数为5％～80％；

(3)将所述混合粉末3在氧气氛围中先以2～5℃/min的升温速率升至500～600℃并保温3～7h，随后以0.2～1℃/min的升温速率升至800～1100℃并保温10～20h，得到固体块状材料；

(4)将所述固体块状材料破碎研磨，随后加入去离子水纯度以上的水在40～80℃下搅拌10～60min，固液分离，收集固体干燥后，得到一种原位包覆锆酸铝锂的单晶NCM三元材料。