高镍的镍钴锰三元单晶材料、制备方法及其应用技术

一种高镍的镍钴锰三元单晶材料、制备方法及其应用，高镍的镍钴锰三元单晶材料通式设置为LiNixCoyMnzRtO2,其中0.5≤x≤0.8,0.1≤y＜0.3,0.1＜z≤0.2，0＜t＜0.1，不会引入硫酸根离子，因此无需洗涤水，因此在制作工艺中不需要使用洗涤水和也不需要对PH值控制。

【技术实现步骤摘要】
高镍的镍钴锰三元单晶材料、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种高镍的镍钴锰三元单晶材料、制备方法及其应用，尤其是一种适应用于锂电池的高镍的镍钴锰三元单晶材料、制备方法及其应用。
技术介绍
而普通镍钴锰三元（NMC）锂电池材料因为其低成本，高安全性，环境友好被广泛的应用，但目前镍钴锰三元锂电池材料因为Jahn-Teller效应，衰减快，虽然用各种元素掺杂能部分解决循环性能，但还是无法达到社会的预期目标，现有技术制备的高镍三元材料方法包括高温固相法，溶胶-凝胶法，液相共沉淀法。其中以液相共沉淀法比较普遍，如专利CN201310697598.x，CN201710022538.6等通常将金属盐水溶液与沉淀剂NaOH,Na2CO3,氨水络合剂等在反应釜中，高速搅拌反应，得到二次球形粒子，沉淀的二次球形粒子经过多次洗涤，烘干得到前躯体的氢氧化物。前躯体与锂盐共混，高温烧结而成，这种工艺目前很普遍，已经工业化量产，其局限性在于前躯体必须多次洗涤，废水排放量大，并且在沉淀的过程中，各元素可能分布不均，存在偏析团聚的现象，而二次团聚的球体粒子在电池极片辊压时，不能压力过大，否则微球会碎裂，导致在电池充放电过程中与极片脱落，造成极片电阻增大，容量损失，如专利CN20131067528.1公开了一种锂电池三元材料的制备方法，如将去离子水加入反应釜中，泵入各种金属盐溶液，同时泵入NaOH,氨水溶液精确调节PH值在10---11之间。陈化后过滤洗涤，得到氢氧化镍钴锰金属氧化物前躯体，干燥后与锂盐混合，高温烧结而成，该专利或类似的专利CN200910109331.8，，CN20151045666.0等，属于典型的共沉淀法制备工艺，在前躯体合成过程中，PH值必须精确控制，反应釜必须氮气保护，洗涤过程中需要大量去离子水，能耗较高，对环境影响大，制备工艺流程长的问题，因此在制作工艺中需要使用洗涤水和PH值必须精确控制，极片电阻增大并且容量损失。基于现有的技术问题、技术特征和技术效果，做出本专利技术的申请技术方案。
技术实现思路
本专利技术的客体是一种高镍的镍钴锰三元单晶材料；本专利技术的客体是一种高镍的镍钴锰三元单晶材料的制备方法；本专利技术的客体是一种高镍的镍钴锰三元单晶材料的应用。为了克服上述技术缺点，本专利技术的目的是提供一种高镍的镍钴锰三元单晶材料、制备方法及其应用，因此在制作工艺中不需要使用洗涤水和也不需要对PH值控制。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种高镍的镍钴锰三元单晶材料；高镍的镍钴锰三元单晶材料通式设置为LiNixCoyMnzRtO2,其中0.5≤x≤0.8,0.1≤y＜0.3,0.1＜z≤0.2，0＜t＜0.1。由于设计了混合盐溶液、锂盐溶液和螯合剂溶液，不会引入硫酸根离子，因此无需洗涤水，因此在制作工艺中不需要使用洗涤水和也不需要对PH值控制。本专利技术设计了，一种高镍的镍钴锰三元单晶材料的制备方法，其步骤是：将混合盐溶液、锂盐溶液和螯合剂溶液在反应釜中混合，对反应釜中的混合溶液进行烘干处理得到高镍的镍钴锰三元单晶材料前躯体固溶体。本专利技术设计了，其步骤是：将混合盐溶液、锂盐溶液、螯合剂溶液和掺杂元素溶液在反应釜中混合，对反应釜中的混合溶液在温度设置为140-160℃进行烘干处理，然后在温度设置为400---550℃进行反应处理1—3小时，使分解出的氮氧化物经降温冷却得到金属氧化物粉末，把金属氧化物粉末在温度设置为800---980℃的具有氧气氛围的辊道窑中进行高温烧结处理10—15个小时，得到高镍的镍钴锰三元单晶材料。本专利技术设计了，混合盐溶液设置为镍盐、钴盐、锰盐和掺杂金属溶于去离子水中搅拌均匀得到稳定的混合金属离子溶液，镍盐设置为硝酸镍、醋酸镍或柠檬酸镍中的一种或几种，钴盐设置为硝酸钴、醋酸钴或柠檬酸钴中的一种或几种；锰盐设置为硝酸锰或醋酸锰中的一种或两种，掺杂金属设置为硝酸铝、硝酸镁、氧化钛、氢氧化铌或硝酸钽中的一种或几种。本专利技术设计了，掺杂金属阳离子摩尔比为0.01%--1%。本专利技术设计了，锂盐溶液设置为醋酸锂、硝酸锂或乙二酸二锂中的一种或机种溶于去离子水中搅拌均匀得到稳定的混合金属离子溶液。本专利技术设计了，螯合剂溶液设置为柠檬酸、乙二胺四乙酸或甘氨酸其中的一种或几种溶于去离子水得到溶液。本专利技术设计了，掺杂元素溶液设置为硝酸锆、硝酸铝、硝酸镁、氢氧化铌、硝酸钽中的一种或几种水溶液。本专利技术设计了，镍盐溶液的浓度和锂盐溶液的浓度分别设置为1-6moL/L。本专利技术设计了，螯合剂的使用量摩尔比为；n金属离子：n螯合剂=1：0.5-8。一种高镍的镍钴锰三元单晶材料的在锂电池中作为电极的应用。本专利技术的技术效果在于：不会引入硫酸根离子，因此无需洗涤，晶体无杂相，同时原子级别混合的氧化物在高温下融合长大为单晶，整个工艺中不存在二次粒子的形成。同时容易掺杂其他元素，使得晶体的结构稳定，循环性能和安全性能得到提升，且整个工艺简单，过程容易控制，易于实现批量化生产，批次稳定性可靠，工艺优化无需大量的大反应釜，反应过程无需精确控制PH值、反应气氛和温度等苛刻条件，无需使用大量的去离子水多次洗涤前躯体，对环境影响小，高镍的镍钴锰三元单晶材料循环性能优越，0.5C倍率下750循环后，容量保持率≥95%，克容量为＞160mAh/g，高镍的镍钴锰三元单晶材料制得的锂电池正极，正极材料元素分布均匀，单晶体形貌，压实密度高，循环性能好，热稳定高的材料，金属离子的均匀混合，特别是达到离子级别的混合度，如镍、钴、锰金属盐加入去离子水中溶解，再加入锂盐，与金属螯合剂乙二胺四乙酸或柠檬酸，甘氨酸等。在400—600℃烘箱中烘干，轻组分去除，挥发分解的氮氧化合物经冷却降温回收，剩下纳米级的金属氧化固溶体的前躯体。本专利技术的前躯体工艺与常规工艺相比，操作简单没有废水的排放，节能环保。前躯体进一步在800—950℃加热处理，晶体粒子融合长大，达到微米级别的单晶颗粒。德国明斯特大学的M.Borner利用18650电池对高镍三元材料（NMC）在电池充放电循环过程中的研究发现，经过多次充放电循环后，NMC材料颗粒的形貌发生了变化，部分二次粒子的球体破碎，则部分活性物质脱离集流体，因此二次颗粒球体破碎和正极电解质界面形成是造成三元（NMC）高镍材料衰降的主要原因。其中NMC二次大颗粒表面的破碎主要是由于电极材料组成的不均匀，造成了电流密度和充电状态SOC的不均匀，从而造成局部过充，因此导致局部的Li过度脱嵌，引起高镍NMC材料的层间距扩大和形成新的岩盐、非有序尖晶石相，从而产生机械应力，导致微米级颗粒的球体体破碎，而这一现象随着充放电的倍率增大而变的更加严重。同时，在较大的充电倍率下，电池表面会产生大量的高度Li脱嵌的区域，从而导致材料的热稳定降低。而在较高的截止电压下，电解液的分解也变的更加严重，导致正极电解质界面膜增厚，引起电池阻抗增加。本专利技术的高镍的镍钴锰三元单晶材料元素分布均匀，能有效的解决二次颗粒碎裂的问题，因此循环性能优越，热稳定性和安全性能高，而减少电解液与锂电池材料之间的接触面积是解决循环性能的一个重要手段，为了减少电解液与晶体接触界面，首先要减少晶体的表面积，而大晶体粒子能有效降低比表面，最主要的是单晶与二次粒子大球体相比表面积减少了一个数量级，并且通过多项本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高镍的镍钴锰三元单晶材料，其特征是：高镍的镍钴锰三元单晶材料通式设置为LiNixCoyMnzRtO2,其中0.5≤x≤0.8,0.1 ≤y＜0.3,0.1＜z≤0.2， 0＜t＜0.1。

【技术特征摘要】
1.一种高镍的镍钴锰三元单晶材料，其特征是：高镍的镍钴锰三元单晶材料通式设置为LiNixCoyMnzRtO2,其中0.5≤x≤0.8,0.1≤y＜0.3,0.1＜z≤0.2，0＜t＜0.1。2.一种高镍的镍钴锰三元单晶材料的制备方法，其步骤是：将混合盐溶液、锂盐溶液和螯合剂溶液在反应釜中混合，对反应釜中的混合溶液进行烘干处理得到高镍的镍钴锰三元单晶材料前躯体固溶体。3.根据权利要求1所述的高镍的镍钴锰三元单晶材料的制备方法，其特征是：其步骤是：将混合盐溶液、锂盐溶液、螯合剂溶液和掺杂元素溶液在反应釜中混合，对反应釜中的混合溶液在温度设置为140-160℃进行烘干处理，然后在温度设置为400---550℃进行反应处理1—3小时，使分解出的氮氧化物经降温冷却得到金属氧化物粉末，把金属氧化物粉末在温度设置为800---980℃的具有氧气氛围的辊道窑中进行高温烧结处理10—15个小时，得到高镍的镍钴锰三元单晶材料。4.根据权利要求3所述的高镍的镍钴锰三元单晶材料的制备方法，其特征是：混合盐溶液设置为镍盐、钴盐、锰盐和掺杂金属溶于去离子水中搅拌均匀得到稳定的混合金属离子溶液，镍盐设置为硝酸镍、醋酸镍或柠檬酸镍中...

【专利技术属性】
技术研发人员：许兰兰，杨建千，何金鑫，
申请(专利权)人：山东零壹肆先进材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37