[发明专利]一种高容量单晶正极电池材料的制备方法及产品

说明书

本发明公开了一种高容量单晶正极电池材料的制备方法及产品，涉及单晶高熵电池材料技术领域，为解决单晶正极材料锂离子扩散较为困难，限制了单晶材料发展的问题；本发明包括用超细的针状富铁基高熵材料作为晶核，制成棒状的单晶氧化物，以提高锂离子扩散速率；具体包括配置电池级原料溶液、在高pH条件下合成超细的针状富铁基高熵材料晶核、继续生长、加锂烧结成单晶粉末产品；本发明从另一角度出发，用超细的针状富铁基高熵材料作为晶核，制成棒状的单晶氧化物，从而缩短锂离子在电解液与单晶内部晶格间扩散的路径，解决了单晶正极材料中锂离子扩散较为困难的问题，提高了电池材料产品容量、循环稳定性和安全性，同时为高熵材料的发展拓宽了道路。

技术领域

本发明涉及单晶高熵电池材料技术领域，具体为一种高容量单晶正极电池材料的制备方法及产品。

背景技术

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。而单晶型三元材料内部没有晶界，可以有效应对晶界破碎及其导致的性能劣化问题，与商用多晶三元材料相比，单晶三元材料在常温和高温下均具有更好的循环稳定性，且安全性高。

目前，单晶正极材料仍有不足之处，其一次颗粒大小在几微米级，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。

HEM(高熵材料)是一类由多种元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的新型多主元材料，这种材料具有很多传统材料无法比拟的优异特性。例如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；例如公告号为CN111933926B，名称为《一种锂离子电池正极材料前躯体及其制备方法》的发明专利，其中就公开了一种采用HEO制作锂离子电池正极材料的方法，并且通过以镍钴锰镁钛高熵氧化物为晶核、镍钴锰氧化物在其晶核基础上生长、外层再包覆镍钴锰镁钛高熵氧化物，有效解决了高镍镍钴锰材料的安全性及循环性问题；但是，该方法并没有解决用高熵材料作为单晶正极材料也同样存在的锂离子扩散较为困难的问题，这一问题也限制了高熵材料优异性能的未来发展前景，限制了单晶材料的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高容量单晶正极电池材料的制备方法及产品，以解决单晶正极材料锂离子扩散较为困难，限制了单晶材料发展的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高容量单晶正极电池材料的制备方法，包括以下步骤：用超细的针状富铁基高熵材料作为晶核，制成棒状的单晶氧化物，以提高锂离子扩散速率。

在一种较优的方案中，高熵材料为超细的针状富铁基镍钴锰铁镁高熵氢氧化物，化学式为xFe(OH)₃·y(Ni_0.2Co_0.2Mn_0.2Fe_0.2Mg_0.2)(OH)₂，晶核外采用Ni_mCo_nMn_z(OH)₂继续长大成正极电池前驱体材料，烘干后加锂焙烧生长成棒状的单晶氧化物；x、y、m、n、z均为正数。

在本方案中较优的，上述制备方法包括以下步骤：

S1、按比例配制电池级的铁源、镍源、钴源、锰源、亚铁源、镁源的溶液于容器a中；再按比例配制电池级的镍源、钴源、锰源的溶液于容器b中；

S2、将容器a中的溶液全部加入到反应器A中并搅拌，后向反应容器A中加入沉淀剂a，控制反应pH在11.5～13.0，沉淀剂a加完后继续搅拌2～18h；再将容器b中的溶液、络合剂、沉淀剂b加入到反应器A中，控制反应pH在10～11.5，得到的料浆经洗涤、过滤、干燥得到粉体d；