三元材料电池正极及其制备方法以及锂离子电池技术

一种三元材料电池正极及其制备方法，涉及锂离子电池技术领域，该三元材料电池正极在传统NCM811的基础上，采用钠离子、镁离子和铝离子进行等价掺杂。钠离子、镁离子和铝离子不仅稳定了材料的晶体结构，抑制了高电压充电时，高比例脱锂状态下材料晶格的结构坍塌，而且可抑制高价的镍离子和钴离子与电解液之间的副反应，显著增强了材料的循环性能；同时增强了材料的离子导电性，提高了材料的倍率放电性能。该制备方法实现了组分的定向掺杂，由于价态和原子半径相同和相近，故均可实现同晶取代，避免了取代过程中的阳离子混排而影响其作用的发挥。一种锂离子电池，其包括上述三元材料电池正极，其具有优异的高能量密度。

【技术实现步骤摘要】
三元材料电池正极及其制备方法以及锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池
，且特别涉及一种三元材料电池正极及其制备方法以及锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池是20世纪90年代迅速发展起来的新一代二次电池，广泛用于小型便携式电子通讯产品和电动交通工具。电池材料制造是锂电池产业中的核心环节。电池材料分为正极材料、负极材料、隔膜、电解液等。正极材料是制造锂离子电池的关键材料之一，占据电池成本的25％以上，其性能直接影响了电池的各项性能指标，在锂离子电池中占据核心地位。然而，现在市面上所有的正极材料，如磷酸铁锂、尖晶石锰酸锂、普通的NCM111三元正极材料，其能量密度均比较低，大多低于150Wh/kg。虽然钴酸锂的能量密度较高，但许多因素如成本高、安全性较差、循环寿命较短等都决定了该材料不适合用在锂离子动力电池的正极材料。最近几年发现并逐渐投入使用的高镍三元NCM523、NCM622正极材料，其能量密度虽然高于磷酸铁锂、尖晶石锰酸锂、普通的NCM111三元正极材料，但该材料不仅成本较高，而且其能量密度仍然达不到消费者对电动汽车续航里程的要求。对于NCM三元材料，随着镍含量的不断提高，材料的放电比容量不断增加。NCM811正极材料能够满足高能量密度动力电池的要求，但其安全性、循环寿命和加工性能受到很大挑战，导致该材料无法在电动汽车的锂离子动力电池中使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三元材料电池正极，其在4.5V的高电压充电条件下具有极高的放电比容量和较优异的循环稳定性能。本专利技术的另一目的在于提供一种上述三元材料电池正极的制备方法，其制作工艺简单可控，有效提高三元材料电池正极的定向掺杂、取代，有效提高三元材料电池正极的性能。本专利技术的另一目的在于提供一种锂离子电池，其质量能量密度可达380Wh/kg，具有优异的高能量密度。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。一种三元材料电池正极，其化学组成分子表达式为：Li1-δNaδ[Ni0.8-xMgx][Co0.1-yAly]Mn0.1O2，其中，0<x<0.1，0<y<0.05，0<δ<0.1。一种上述三元材料电池正极的制备方法，其包括：将镍盐与镁盐的混合溶液与氢氧化钠反应后，得第一前驱体；将钴盐与铝盐的混合溶液与氢氧化钠反应后，得第二前驱体；将锰盐的溶液与氢氧化钠溶液反应后，得到第三前驱体；将第一前驱体、第二前驱体以及第三前驱体混合，静置，得到混合前驱体的沉淀；对混合前驱体进行洗涤、干燥，与氢氧化锂和氢氧化钠混合，并在氧气气氛下进行焙烧。一种锂离子电池，其包括上述三元材料电池正极。本专利技术实施例的三元材料电池正极及其制备方法、锂离子电池的有益效果是：本专利技术实施例提供了一种三元材料电池正极，其在传统NCM811的基础上，采用钠离子、镁离子和铝离子进行等价掺杂。钠离子、镁离子和铝离子不仅稳定了材料的晶体结构，抑制了高电压充电时，高比例脱锂状态下材料晶格的结构坍塌，而且可抑制高价的镍离子和钴离子与电解液之间的副反应，显著增强了材料的循环性能；同时增强了材料的离子导电性，提高了材料的倍率放电性能。本专利技术实施例还提供了一种上述三元材料电池正极的制备方法，其将不同价态的离子混合，分别制成前驱体，从而实现组分的定向掺杂，由于价态和原子半径相同和相近，故均可实现同晶取代，避免了取代过程中的阳离子混排而影响其作用的发挥。本专利技术实施例还提供了一种锂离子电池，其包括上述三元材料电池正极，其质量能量密度可达到200Wh/kg以上，具有优异的高能量密度。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的三元材料电池正极及其制备方法、锂离子电池进行具体说明。一种三元材料电池正极，其化学组成分子表达式为：Li1-δNaδ[Ni0.8-xMgx][Co0.1-yAly]Mn0.1O2，其中，0<x<0.1，0<y<0.05，0<δ<0.1。在该三元材料电池正极中，采用一价钠离子取代部分一价锂离子，采用二价镁离子取代部分二价镍离子、三价铝离子取代部分三价钴离子，由于价态和原子半径相同和相近，故均可实现同晶取代，避免了取代过程中的阳离子混排而影响其作用的发挥，钠离子、镁离子和铝离子不仅稳定了材料的晶体结构，抑制了高电压充电时，高比例脱锂状态下材料晶格的结构坍塌，而且可抑制高价的镍离子和钴离子与电解液之间的副反应，显著增强了材料的循环性能；同时由于镁和四价元素的加入，还增强了材料的离子导电性，提高了材料的倍率放电性能。钠、镁和铝三种离子的定向取代，提高了材料的热稳定性和安全性能以及循环性能。本专利技术实施例还提供了一种上述三元材料电池正极的制备方法，其包括：S1.将镍盐与镁盐的混合溶液与氢氧化钠反应后，得第一前驱体。优选地，将镍盐与镁盐的总浓度为0.5～2mol/L，优选为2mol/L的混合溶液与等浓度的氢氧化钠溶液混合进行沉淀反应。此处的等浓度是指与氢氧化钠溶液中氢氧化钠的浓度与混合溶液中镍盐与镁盐的总浓度相等，便于发生沉淀反应。其中，需要说明的是，本专利技术中所提到的溶液的溶剂不经特殊说明，均优选为去离子水，不带入其他杂质。优选地，在镍盐与镁盐的混合溶液与氢氧化钠溶液混合后，pH为10～13，静置1～3h。在上述pH值范围下，能有效促进沉淀反应的进行，提高镍、镁与氢氧化钠的反应效率。优选地，静置后抽滤，将得到的沉淀清洗后，得前第一前驱体。清洗为采用去离子水洗涤2～3次，再用乙醇溶液，例如含有体积比为1：1的去离子水与无水乙醇的乙醇溶液洗涤至少1次，既有效去除表面残留，又不致于溶解太多沉淀物，还便于干燥。优选地，镍盐选自硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍和氯化镍中的至少一种；例如镍盐为硫酸镍，或硝酸镍和乙酸镍的混合物等。镁盐为硫酸镁、硝酸镁、乙酸镁和氯化镁中的至少一种；例如镁盐为乙酸镁或氯化镁，或硫酸镁和硝酸镁的混合物等。通过可溶性的镍盐与镁盐，有效保证镍、镁的准确计量。本专利技术实施例还提供了一种上述三元材料电池正极的制备方法，还包括：S2.将钴盐与铝盐的混合溶液与氢氧化钠反应后，得第二前驱体。优选地，将钴盐与铝盐的总浓度为0.5～2mol/L，优选为2mol/L的混合溶液与等浓度的氢氧化钠溶液混合进行沉淀反应。此处的等浓度是指与氢氧化钠溶液中氢氧化钠的浓度与混合溶液中钴盐与铝盐的总浓度相等，便于发生沉淀反应。优选地，在钴盐与铝盐的混合溶液与氢氧化钠溶液混合后，pH为10～13，静置1～3h。在上述pH值范围下，能有效促进沉淀反应的进行，提高钴、铝与氢氧化钠的反应效率。优选地，静置后抽滤，将得到的沉淀清洗后，得前第二前驱体。清洗为采用去离子水洗涤2～3次，再用乙醇溶液，例如含有体积比为1：1的去离子水与无水乙醇的乙醇溶液洗涤至少1次，既有效去除表面残留，又不致于溶解太多沉淀物，还便于干燥。优选地，钴盐选自硫酸钴、硝酸钴、乙酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三元材料电池正极，其特征在于，其化学组成分子表达式为：Li1‑δNaδ[Ni0.8‑xMgx][Co0.1‑yAly]Mn0.1O2，其中，0<x<0.1，0<y<0.05，0<δ<0.1。

【技术特征摘要】
1.一种三元材料电池正极，其特征在于，其化学组成分子表达式为：Li1-δNaδ[Ni0.8-xMgx][Co0.1-yAly]Mn0.1O2，其中，0&lt;x&lt;0.1，0&lt;y&lt;0.05，0&lt;δ&lt;0.1。2.如权利要求1所述的三元材料电池正极的制备方法，其特征在于，包括：将镍盐与镁盐的混合溶液与氢氧化钠反应后，得第一前驱体；将钴盐与铝盐的混合溶液与氢氧化钠反应后，得第二前驱体；将锰盐的溶液与氢氧化钠溶液反应后，得到第三前驱体；将所述第一前驱体、所述第二前驱体以及所述第三前驱体混合，静置，得到混合前驱体的沉淀；对所述混合前驱体进行洗涤、干燥，与氢氧化锂和氢氧化钠混合，并在氧气气氛下进行焙烧。3.根据权利要求2所述的三元材料电池正极的制备方法，其特征在于，将所述镍盐与所述镁盐的总浓度为0.5～2mol/L的混合溶液与等浓度的氢氧化钠溶液混合；优选地，在所述镍盐与所述镁盐的混合溶液与所述氢氧化钠溶液混合后，pH为10～13，静置1～3h。4.根据权利要求2所述的三元材料电池正极的制备方法，其特征在于，将所述钴盐与所述铝盐的总浓度为0.5～2mol/L的混合溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭孝东，向伟，吴振国，钟本和，
申请(专利权)人：四川大学，南充中芯新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51