[发明专利]一种梯度单晶正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种梯度单晶正极材料，所述单晶正极材料的化学式为LiNi_xCo_yA_1‑x‑yO₂@mLi_aZ_bO_c，其中，0x1，0y1，0x+y1，0＜m＜0.05，0.3＜a≤10，1≤b＜4，1≤c＜15；A为Mn、Zr、Sr、Ba、W、Ti、Al、Mg、Y、Nb中的至少一种，Z为B、Al、Co、W、Ti、Zr、Si中的至少一种；所述单晶正极材料颗粒表面Co含量所占表面Ni+Co+A的原子比例大于0.4且小于0.8，距所述单晶正极材料颗粒表面10%半径深度处Co的原子比例不低于0.3；所述单晶正极材料颗粒球型度好，无尖锐边角。并提供了上述梯度单晶材料的制备方法及应用。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种梯度单晶正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，三元锂电池凭借容量高、循环稳定性好和成本适中等优势，逐渐成为市场上最主流的电池。三元正极材料从形貌上可划分为两类：单晶和多晶，对比单晶与多晶三元材料性能，单晶三元材料体系整体能量密度高，在安全性能与循环性能方面表现更优异。尤其是梯度化的单晶材料，它在循环过程中，阻抗小、循环性能稳定、容量保持率高和热稳定性高。但是传统的用共沉淀法制备梯度化单晶三元材料前驱体时，由于一次烧结温度通常很高，在高温烧结的情况下元素会出现重新排列的情况，也就是说先前的元素梯度分布会趋向均匀分布，从而使梯度材料的优势大打折扣。在常规制法中，梯度化单晶材料一次烧结后会进行气流粉碎，此过程会将团聚在一起的颗粒强行打开，从而产生尖锐的边角。这种尖锐的边角在电池电极制备过程中会对设备造成严重的磨损，缩短设备配件的使用寿命，大大增加电池的制造成本；另外这种尖锐的边角在电池充放电过程中会造成材料充放电程度不均一，从而引起很强的极化作用，更甚至在循环过程中出现颗粒破碎，电池寿命迅速衰减。且传统的单晶三元材料通常倍率性能不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度化且球形度好的单晶正极材料，在循环过程中，阻抗小、循环性能稳定、容量保持率高和热稳定性高。此外，使用本发明提供的正极材料在制备正极片的过程中可以减少涂布设备的磨损，更易于加工。

本发明提供了一种梯度单晶正极材料及其制备方法，其特征在于：（a）所述梯度单晶正极材料的化学式为LiNi_xCo_yA_1-x-yO₂@mLi_aZ_bO_c，其中，0x1，0y1，0x+y1，0＜m＜0.05，0.3＜a≤10，1≤b＜4，1≤c＜15；A为Mn、Zr、Sr、Ba、W、Ti、Al、Mg、Y、Nb中的至少一种，Z为B、Al、Co、W、Ti、Zr、Si中的至少一种；所述梯度单晶正极材料颗粒表面Co含量所占表面Ni+Co+A的原子比例大于0.4且小于0.8，距所述梯度单晶正极材料颗粒表面10%半径深度处Co的原子比例不低于0.3；所述梯度单晶正极材料颗粒球型度好，无尖锐边角；（b）上述单晶正极材料的制备过程包括以下步骤：（1）将锂源和含Ni、Co、A的物质按Li与Ni、Co、A的摩尔数之和的比为0.9-1.25:1进行混合，混合均匀后在富氧气氛下进行第一次烧结，烧结温度为800-1000℃，烧结时间为8-15h，然后待物料降温后将物料粉碎至D50为2.5-5微米，得到单晶正极材料；（2）将步骤（1）中制备的单晶正极材料与含Co微粉进行混合，其中Co含量占单晶正极材料质量比为0.1%-10%，混合均匀后在富氧气氛下进行第二次烧结，烧结温度为850-900℃，烧结时间3-8h，冷却后进行粉碎过筛，得到的正极材料D50为2.5-5微米；（3）将步骤（2）中制得的正极材料与Li源和含Z化合物进行混合后在富氧气氛下进行第三次烧结，烧结温度为300-750℃，烧结时间3-10h，物料冷却后进行过筛。