三元正极材料及其制备方法和锂电池技术

一种三元正极材料及其制备方法和锂电池，涉及锂电池领域。该三元正极材料为体相掺杂有M元素、表层掺杂有N元素的高镍三元正极。三元正极材料的化学式为：LiNi

Ternary cathode material and its preparation method and lithium battery

【技术实现步骤摘要】
三元正极材料及其制备方法和锂电池
本申请涉及锂电池领域，具体而言，涉及一种三元正极材料及其制备方法和锂电池。
技术介绍
锂离子电池作为新能源汽车动力已经广泛被接受，而我们知道锂离子动力电池的一个重要的性能瓶颈为正极材料的高容量下的安全性能和循环性能。三元镍钴锰酸锂的综合性能优于磷酸铁锂，锰酸锂等政绩材料。虽然通过提高镍钴锰酸锂中的镍含量已经较大的提高了正极材料的容量,然而实际使用过程中，循环性能和倍率性能仍然不理想，仍然需要改进。
技术实现思路
本申请提供一种三元正极材料及其制备方法和锂电池，以改善上述问题。本申请第一方面实施例提供一种三元正极材料，其为体相掺杂有M元素、表层掺杂有N元素的高镍三元正极。三元正极材料的化学式为：LiNixCoyMn1-x-yMaNbO2+(a+b)/2，0.8<x<1,0<y<0.2,0.002<a<0.8，0.0001<b<0.03。其中，M元素和N元素均为掺杂元素，M元素选自Zr、Ti、W、Y和Al中的至少一种，N元素选自B、V、La和Mg中的至少一种。根据本申请第一方面实施例提供的三元正极材料，在其内部进行体相掺杂无变价的M离子以提高其内部结构的稳定性，并且增加Li在三元正极材料的结构内部的传输效率，同时表层掺杂惰性离子N，有效缓解了电解液对正极材料的腐蚀，二者合理掺杂并且互相配合，有效改善了高镍三元正极的循环性能和内部性能，提高了循环性能和倍率性能。本申请第二方面实施例提供一种制备本申请第一方面实施例提供的三元正极材料的制备方法，其包括：获得体相掺杂有M元素的第一三元前驱体，在第一三元前驱体表层掺杂N元素，获得第二三元前驱体。将第二三元前驱体与锂源于惰性气氛中混合，烧结所得。其中，第一三元前驱体的化学式为：NixCoyMn1-x-yMa(OH)2+ma，第二三元前驱体的化学式为：NixCoyMn1-x-yMaNb(OH)2+ma+nb，第一三元前驱体的化学式和第二三元前驱体的化学式中，0.8<x<1,0<y<0.2,0.002<a<0.8，0.0001<b<0.03，m和n均为自然数。根据本申请第二方面实施例提供的三元正极材料的制备方法，操作可控，能够在制得的产品，也即是三元正极材料的内部进行体相掺杂无变价的M离子以提高其内部结构的稳定性，并且增加Li在三元正极材料的结构内部的传输效率，同时表层掺杂惰性离子N，有效缓解了电解液对正极材料的腐蚀，有效改善了高镍三元正极的循环性能和内部性能，提高了高镍三元正极的循环性能和倍率性能。结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，第一三元前驱体由底液、M的可溶性盐溶液、第一络合剂以及第一碱液构成的第一反应体系经共沉淀制得，底液为水溶性镍盐、水溶性钴盐以及水溶性锰盐的混合溶液。可选地，第一三元前驱体由第一反应体系在pH值为10.1-12.5的条件下经共沉淀制得。可选地，第一络合剂包括氨水、碳酸氢铵和碳酸铵中的至少一种，且第一反应体系中，氨浓度保持在2-8mol/L。可选地，第一三元前驱体由第一反应体系在40-65℃经共沉淀制得。可选地，共沉淀过程中，还包括以1600-2400rpm的搅拌速度进行搅拌。上述方式操作简单可控，获得体相掺杂有M元素的第一三元前驱体。结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，第二三元前驱体由第一三元前驱体、N的可溶性盐溶液、第二络合剂以及第二碱液构成的第二反应体系经共沉淀制得。可选地，第二三元前驱体由第二反应体系在pH值为10.1-12.5的条件下经共沉淀制得。可选地，第二络合剂包括氨水、碳酸氢铵和碳酸铵中的至少一种，且第二反应体系中，氨浓度保持在2-8mol/L。可选地，第二三元前驱体由第二反应体系在40-65℃经共沉淀制得。可选地，共沉淀过程中，还包括以1600-2400rpm的搅拌速度进行搅拌。上述条件下，有效在第一三元前驱体的表层掺杂N。结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，第二三元前驱体与锂源于惰性气氛中混合时，第二三元前驱体所含有的活性元素与锂源所含有的Li的摩尔比为1:(1.02～1.2)，活性元素为Ni、Co、Mn、M和N。其中，于惰性气氛中混合，防止混合的过程中第二三元前驱体与锂源被氧化。结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，烧结包括依次进行的第一烧结阶段以及第二烧结阶段，第一烧结阶段为在450-610℃保温8-15h，第二烧结阶段为在710-910℃保温15-28h。可选地，第一烧结阶段的烧结气氛为空气或氧气，第二烧结阶段的烧结气氛为氧气。其中，第一烧结阶段主要目的在于去除原料中的结构水，第二烧结阶段，氧参与反应，因此，此时第二阶段采用氧气气氛，提供充足的氧气，保证原料与氧的充分反应。由于第二三元前驱体与锂源混合时发热，为了避免热量过高导致原料产生结构变化，结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，将第二三元前驱体与锂源于惰性气氛中混合的步骤在高混机中进行，混合过程中对高混机进行冷却，其中，冷却方式为水冷或风冷。结合第二方面，本申请示出的一些实施例中，锂源包括单水氢氧化锂、草酸锂、碳酸锂、硝酸锂、醋酸锂、氟化锂、氯化锂、叔丁醇锂和柠檬酸锂中的至少一种。根据本申请第三方面实施例的锂电池，其包含本申请第一方面制得的三元正极材料。根据本申请第三方面实施例的锂电池，利用第一方面实施例提供的三元正极材料，有效改善了锂电池的循环性能和倍率性能。本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为实施例1获得三元正极材料的SEM图；图2为实施例1获得三元正极材料的SEM图；图3为实施例3获得三元正极材料的SEM图；图4为对比例获得三元正极材料的SEM图；图5为实施例获得三元正极材料与对比例在不同倍率下的容量示意图。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请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。在本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。现有的锂离子电池，虽然通过镍钴锰酸锂中的镍含量已经较大的提高了正极材料的容量，然而实际使用过程中，循环性能和倍率性能仍然不理想，经专利技术人研究发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元正极材料，其特征在于，其为体相掺杂有M元素、表层掺杂有N元素的高镍三元正极；/n所述三元正极材料的化学式为：LiNi

【技术特征摘要】
1.一种三元正极材料，其特征在于，其为体相掺杂有M元素、表层掺杂有N元素的高镍三元正极；
所述三元正极材料的化学式为：LiNixCoyMn1-x-yMaNbO2+(a+b)/2，0.8<x<1,0<y<0.2,0.002<a<0.8，0.0001<b<0.03；
其中，M元素和N元素均为掺杂元素，M元素选自Zr、Ti、W、Y和Al中的至少一种，N元素选自B、V、La和Mg中的至少一种。


2.一种制备如权利要求1所述的三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括：
获得体相掺杂有M元素的第一三元前驱体，在所述第一三元前驱体表层掺杂N元素，获得第二三元前驱体；
将所述第二三元前驱体与锂源于惰性气氛中混合，烧结所得；
其中，所述第一三元前驱体的化学式为：NixCoyMn1-x-yMa(OH)2+ma，所述第二三元前驱体的化学式为：NixCoyMn1-x-yMaNb(OH)2+ma+nb，所述第一三元前驱体的化学式和所述第二三元前驱体的化学式中，0.8<x<1,0<y<0.2,0.002<a<0.8，0.0001<b<0.03，m和n均为自然数。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一三元前驱体由底液、M的可溶性盐溶液、第一络合剂以及第一碱液构成的第一反应体系经共沉淀制得，所述底液为水溶性镍盐、水溶性钴盐以及水溶性锰盐的混合溶液；
可选地，所述第一三元前驱体由第一反应体系在pH值为10.1-12.5的条件下经共沉淀制得；
可选地，所述第一络合剂包括氨水、碳酸氢铵和碳酸铵中的至少一种，且所述第一反应体系中，氨浓度保持在2-8mol/L；
可选地，所述第一三元前驱体由第一反应体系在40-65℃经共沉淀制得；
可选地，所述共沉淀的过程中，还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，訚硕，王一乔，管剑，李寿奎，
申请(专利权)人：中伟新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52