一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法，属于锂离子电池正极材料的制备技术领域。高压实密度低pH值镍钴锰酸锂NCM523型三元正极材料呈类球形状，二次团聚体颗粒粒度D50为10~12µm，一次单晶颗粒尺寸为1.5~3µm。高压实密度523型三元正极材料的制备方法，在碳酸锂与三元前驱体LiNi0.5Co0.2Mn0.3(OH)2混合料中掺入0.1%~1.0%的金属氧化物，通过一次烧结、浆化洗涤、二次烧结，破碎，除铁，筛分、混合，最后得到NCM523型三元正极材料。该方法有效地提高了NCM523型三元正极材料的压实密度和降低了pH值，制备的NCM523型三元正极材料压实密度>3.7g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池正极材料的制造，具体是一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池是近年来发展起来的一种新型电源，与其他可充电二次电池相比，锂离子电池具有电压高，比能量高，充放电寿命长，无记忆效应，无污染等优点，因此它不仅在便携式电子设备上（如移动电话、数码摄像机和手提电脑等）得到广泛应用，也在电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备领域有广阔的应用前景，是目前世界各国争相研究开发的热点。目前已经发展较为成熟，被市场广泛应用的锂电池正极材料是钴酸锂，但是钴昂贵的价格，局限的容量密度，以及较低的安全性能限制了它的发展。与之相比，三元材料适中的价格、容量的优势使其正引起越来越多的关注。但是，由于现有制备工艺上的缺陷，使得三元材料的优势并没有得到充分的发挥，其中材料的容量密度偏低是限制其性能提升的因素之一，而提升三元材料的容量密度主要是从三个角度考虑：提升压实密度、提高充放电截止电压和提升金属Ni含量。较钴酸锂4.1g/cm3以上的压实密度，镍钴锰酸锂压实密度只有3.3～3.5g/cm3，尚有很大的提升空间。压实密度每提高0.1g/cm3，体积能量密度就可以提高3%。我们要通过提升镍钴锰酸锂的压实密度来提升其能量密度，改善加工性能。目前通用的三元材料，其微观形貌多是由亚微米一次晶粒团聚而成的二次球形颗粒，一次晶粒之间存在很多缝隙，导致三元材料的压实密度低以及电极辊压时二次球形颗粒易破碎。通过改善三元材料的晶粒和颗粒结构来提高压实密度，是未来国内三元材料发展的趋势。专利技术内容本专利技术要解决的技术问题是解决上述现有技术的不足，提供一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法。本专利技术的技术方案是：一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法，该材料形貌呈球形状，二次团聚体颗粒粒度D50为10～12µm，一次单晶颗粒尺寸为1.5～3µm，包括以下步骤：a：原料预处理，将原料电池级的碳酸锂和三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2分别过筛处理；b：配料，将碳酸锂与三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2按照摩尔比Li：（Ni+Co+Mn）=1.0～1.06的比例进行配料，配料过程中掺入金属氧化物，所述金属氧化物中金属的添加量按产品理论质量的0.1%～1.0%计算；c：原料混合，将上述碳酸锂、三元前驱体和金属氧化物称重，按三者的质量比放入可调速混合机中混合，混合时间为30～180分钟，混合均匀，得混合料；d：一次、二次烧结，将所得混合料进行一次烧结，所述一次烧结的主温区温度为600～930℃，持续时间为16～30小时，在烧结过程中持续通入一定流量的空气，并及时排出二氧化碳；一次烧结完毕后，将所得半成品依次破碎、筛分、浆化洗涤、干燥，然后进行二次烧结，所述二次烧结的主温区温度为900～1000℃，持续时间为3～12小时；e：破碎、过筛、除铁、混合、包装，将二次烧结所得产品在干燥间进行粉碎、分级和过筛，控制粒度D50=10～12µm；破碎后的物料进行除铁，除铁后物料中的磁性异物（Fe、Cr、Zn）总含量小于20ppb；除铁后的物料置入混合机中进行混合，时间为3～6小时，物料过筛300～400目，热封包装。优选的：步骤a中电池级碳酸锂原料过150目～350目筛网。优选的：步骤d中所述一次烧结采用两段温区设定，依次为600～750℃烧结7～12小时，750～930℃烧结9～18小时，各阶段做好烧结温度过渡。优选的：步骤d中对一次烧结所得半成品进行破碎、筛分、浆化洗涤、干燥的具体步骤为：首先将一次烧结半成品进行破碎、分级和过筛，控制粒度D50=10～12µm；然后将破碎后的物料加入浆化釜中浆化水洗，按照质量比物料：水=1：3～5的比例加入纯水，搅拌15～45分钟，过滤，将过滤液进行回收处理，并以质量比物料：水=1：3～5的比例加入纯水，洗涤过滤2～5次；最后将滤饼进行干燥，干燥时间为6～12小时，干燥温度110～130℃。优选的：所述金属氧化物为钛、铝、镁、锆或铈的氧化物或氢氧化物，D50为100～500纳米。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过掺杂、一次烧结、浆化洗涤和二次烧结的方法制备出高压实密度523型三元正极材料，有效地提高了523型三元正极材料的压实密度和降低了pH值，制备的NCM523型三元正极材料压实密度>3.7g/cm3，pH值<10.80。首先，本专利技术通过掺杂工艺，在一次烧结过程中能够使掺入的纳米级钛、铝、镁、锆或铈颗粒以氧化态结构嵌入三元一次晶体颗粒中，稳固和支撑三元晶体结构，有效抑制NCM523型三元晶胞结构在充放电过程中的相变和塌陷，以达到提高NCM523型三元正极材料的循环性能，而且钛、铝、镁、锆或铈等元素的加入，也可以促进三元正极材料一次颗粒尺寸的长大；采用X射线衍射（XRD）对样品进行晶体结构分析表明，本专利技术NCM523型三元正极材料晶体结构完整，无杂相。其次，本专利技术通过浆化洗涤、二次烧结，能增大三元正极材料的一次单晶颗粒尺寸，能去除三元正极材料中的杂质和残余锂，降低三元正极材料的pH值，去除三元正极材料中的细小颗粒，降低三元正极材料的比表面积；浆化洗涤、二次烧结后的NCM523型三元正极材料，减少了与电解液接触面积和发生副反应的几率，改善了化学相容性；使得本专利技术NCM523型三元正极材料在整个充放电过程中电化学稳定性好，并且与电解质保持良好的热稳定性，以保证锂电池工作的安全性。采用扫描电子显微镜（SEM）对水洗前及水洗、二次烧结后的NCM523型三元正极材料进行测试，扫描电镜图显示水洗、二次烧结后的NCM523型三元正极材料的一次单晶颗粒尺寸明显增大到2～3µm，细微颗粒明显减少，表面更加光滑。本专利技术有效地提高了NCM523型三元正极材料的压实密度和降低了pH值，采取以上工艺生产的NCM523型三元正极材料制作锂电池，所得锂电池具有能量密度大和循环性能好等诸多优点，可很大地降低动力电池的生产成本。附图说明图1是实施例1一次烧结后物料的扫描电镜图；图2是实施例1二次烧结后物料的扫描电镜图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步清楚阐述本专利技术的内容，但本专利技术的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1高压实密度523型三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：a：原料预处理：将电池级碳酸锂原料过筛200目，筛分物碳酸锂备用；b：配料：称取3kg三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2，碳酸锂重量按摩尔比Li：（Ni+Co+Mn）=1.04的比例进行计算并称重，掺入氧化镁的镁含量按金属元素含量的0.25%计算，再换算成氧化镁的重量；c：原料混合：将配料称重好的碳酸锂、三元前驱体和氧化镁，依次倒入高速混合机混合，低速混合10分钟，高速混合25分钟，混合后检查无白点，即混合均匀，得混合料；d：一次、二次烧结：将混合均匀的混合料使用箱式气氛电阻炉进行一次烧结，一次烧结采用两段温区设定，即：750℃保温烧结7小时，910℃保温烧结12小时，升温区和各阶段做好烧结温度过渡，并持续通入净化处理的空气；然后将一次烧结半成品进行破碎、分级和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a. 原料预处理，将原料电池级的碳酸锂和三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2分别过筛处理；b. 配料，将碳酸锂与三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2按照摩尔比Li：（Ni+Co+Mn）=1.0～1.06的比例进行配料，配料过程中掺入金属氧化物，所述金属氧化物中金属的添加量按产品理论质量的0.1%～1.0%计算；c. 原料混合，将上述碳酸锂、三元前驱体和金属氧化物称重，按三者的质量比放入可调速混合机中混合，混合时间为30～180分钟，混合均匀，得混合料；d. 一次、二次烧结，将所得混合料进行一次烧结，所述一次烧结的主温区温度为600～930℃，持续时间为16～30小时，在烧结过程中持续通入一定流量的空气，并及时排出二氧化碳；一次烧结完毕后，将所得半成品依次破碎、筛分、浆化洗涤、干燥，然后进行二次烧结，所述二次烧结的主温区温度为900～1000℃，持续时间为3～12小时；e. 破碎、过筛、除铁、混合、包装，将二次烧结所得产品在干燥间进行粉碎、分级和过筛，控制粒度D50=10～12µm；破碎后的物料进行除铁，除铁后物料中的磁性异物总含量小于20ppb；除铁后的物料置入混合机中进行混合，时间为3～6小时，物料过筛300～400目，热封包装。...

【技术特征摘要】
1.一种高压实密度523型三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a.原料预处理，将原料电池级的碳酸锂和三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2分别过筛处理；b.配料，将碳酸锂与三元前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2按照摩尔比Li：（Ni+Co+Mn）=1.0～1.06的比例进行配料，配料过程中掺入金属氧化物，所述金属氧化物中金属的添加量按产品理论质量的0.1%～1.0%计算；c.原料混合，将上述碳酸锂、三元前驱体和金属氧化物称重，按三者的质量比放入可调速混合机中混合，混合时间为30～180分钟，混合均匀，得混合料；d.一次、二次烧结，将所得混合料进行一次烧结，所述一次烧结的主温区温度为600～930℃，持续时间为16～30小时，在烧结过程中持续通入一定流量的空气，并及时排出二氧化碳；一次烧结完毕后，将所得半成品依次破碎、筛分、浆化洗涤、干燥，然后进行二次烧结，所述二次烧结的主温区温度为900～1000℃，持续时间为3～12小时；e.破碎、过筛、除铁、混合、包装，将二次烧结所得产品在干燥间进行粉碎、分级和过筛，控制粒度D50=10～12µm；破碎后的物料进行除铁，除铁后物料中的磁性异物总含量小于20ppb；除铁后的物...

【专利技术属性】
技术研发人员：常全忠，智福鹏，郝亚莉，王娟辉，朱纪念，马骞，祁世青，万雲云，
申请(专利权)人：金川集团股份有限公司，兰州金川科技园有限公司，
类型：发明
国别省市：甘肃,62