一种三元正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种三元正极材料及其制备方法和应用。制备方法包括：将镍盐、钴盐和M盐溶于水中，得到混合盐溶液；向混合盐溶液中加入尿素溶液，搅拌，升温至反应温度，保温，静置陈化；冷却，过滤，洗涤滤饼，滤饼进行真空干燥，得到三元单晶前驱体；将三元单晶前驱体与锂源混合，压实成块，在空气或氧气的气氛中，升温至预烧温度，保温，自然冷却至室温，得到块状物料；将块状物料破碎，压实成块，在空气或氧气的气氛中，控制压力，升温至烧结温度，保温，再将压力降至3Pa‑10Pa，保温，自然冷却至室温，粉碎，得到三元正极材料。本发明专利技术制备的三元正极材料紧密、质地均匀且采用该三元正极材料制备的电池具备优异的倍率性能和循环性能。

A ternary anode material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种三元正极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种正极材料的制备方法，尤其涉及一种锂离子电池的三元正极材料的制备方法，属于锂离子电池

技术介绍
随着新能源行业的不断发展，人们对锂离子动力电池的要求也越来越高。早期以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池由于其容量及能量密度低，已无法满足市场要求。人们开始将目光转向三元镍钴锰锂离子电池。通常，随着镍含量的提升，三元材料的容量及能量密度也随之升高。所以，以523、622和811等为代表的高镍三元材料备受关注，成为锂离子电池正极材料领域研究的焦点。目前，国内外生产的高镍三元材料主要为一次细小颗粒团聚而成的二次球形颗粒。二次球形颗粒容易在高压实条件下破碎，导致副反应加剧。二次球内、外部一次颗粒粒径小且缺陷多，在高电压或高温条件下进行充放电容易导致结构坍塌，热稳定性较差。然而，与高镍三元材料相比，三元单晶材料具备机械强度高、比表面积小、表面光滑等特点，不仅能够提升三元材料的高电压下的容量发挥，还可以有效改善材料的高温循环、胀气、容量恢复等方面的问题。但是，现有的三元单晶材料制备的电池的循环性能和倍率性能不是很理想。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种具有单晶结构、材料紧密、质地均匀、电化学性能优异的三元正极材料的制备方法。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种三元正极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：将镍盐、钴盐和M盐溶于水中，配制混合盐溶液；向混合盐溶液中加入尿素溶液，搅拌10min-20min，升温至反应温度，保温0.5h-2h，静置陈化12h-48h；冷却至70℃-80℃，过滤，洗涤滤饼至pH为6.5-7.5，滤饼进行真空干燥，得到三元单晶前驱体；将三元单晶前驱体与锂源混合，压实成块，在空气或氧气的气氛中，升温至预烧温度，保温4h-6h，自然冷却至室温，得到块状物料；将块状物料破碎，压实成块，在空气或氧气的气氛中，控制环境压力为20MPa-30MPa，升温至烧结温度，保温0.5h-1h，将环境压力降至3Pa-10Pa，保温10h-24h，自然冷却至室温，粉碎，得到三元正极材料。本专利技术的制备方法包括制备混合盐溶液的步骤。具体地，取镍盐、钴盐和M盐溶于去离子水中，配制混合盐溶液，然后，将混合盐溶液加入以聚四氟乙烯为内衬的高压釜内，用惰性气体吹扫釜内死角体积中的空气后，密封高压釜。在本专利技术的一具体实施方式中，镍盐、钴盐和M盐的物质的量之比为x:y:1-x-y，0.50≤x<1，0<y≤0.20。在本专利技术的一具体实施方式中，采用的M盐为Mg、Al或Mn中一种或两种以上的可溶性盐。在本专利技术的一具体实施方式中，采用的镍盐、钴盐、M盐为镍、钴、M的可溶性盐。在本专利技术的一具体实施方式中，混合盐溶液的浓度为1mol/L-4mol/L。比如，混合盐溶液的浓度可以为1.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、3.5mol/L。在本专利技术的制备方法中，包括向混合盐溶液中加入尿素的步骤。具体地，打开高压釜的进料阀和排气阀，向混合盐溶液中加入尿素溶液。在本专利技术的制备方法中，采用单一的尿素作为沉淀剂和络合剂，使镍、钴和M离子发生络合沉淀反应，生成层状三金属氢氧化物(NixCoyM1-x-yOH(CO3)1/2·mH2O)，然后利用该层状三金属氢氧化物与锂源混合高温煅烧，制得块状的三元单晶材料。在本专利技术的一具体实施方式中，尿素溶液的浓度为2mol/L-4mol/L。比如，尿素溶液的浓度可以为2.5mol/L、3mol/L、3.5mol/L。在本专利技术的一具体实施方式中，尿素的加入量为混合盐的总质量的1.2倍-3.3倍。这里的混合盐是指混合盐溶液中的镍盐、钴盐和M盐。在本专利技术的一具体实施方式中，升温至反应温度时，升温速率为0.5℃/min-5℃/min。在本专利技术的一具体实施方式中，反应温度为100℃-150℃。本专利技术的制备方法包括制备三元单晶前驱体的步骤。具体地，陈化完成后，停止加热，可以通过冷却盘管向高压釜内加入冷却水，使温度降至70℃-80℃，打开出料阀，将浆料真空抽滤，分别得到滤饼和滤液，用去离子水洗涤滤饼，直至滤液pH值降至6.5-7.5，再将滤饼真空干燥，得到三元单晶前驱体。本专利技术的三元单晶前驱体的制备工艺简单，得到的三元单晶前驱体为单晶层状三金属氢氧化物。在本专利技术的制备三元单晶前驱体的步骤中，调节滤液pH值至6.5-7.5的主要目的为洗去前驱体表面残留的碱性物质和多余的尿素。在本专利技术的一具体实施方式中，真空干燥的温度为60℃-120℃。在本专利技术的一具体实施方式中，真空干燥的时间为5h-12h。在本专利技术的制备方法中，包括制备块状物料的步骤。具体地，将三元单晶前驱体与锂源混合均匀，压实成块，置于马弗炉内，通入空气或氧气，升温至预烧温度，保温4h-6h后，自然冷却至室温，得到块状物料。在本专利技术的一具体实施方式中，可以采用压力机进行压实成块。压实成块时，压力控制为10t/m2-20t/m2；压实成块后，确保被压材料的厚度为1cm-5cm。在本专利技术的制备方法中，预烧前将前驱体与锂源的混合物压实成块，有助于前驱体与锂源紧密接触，促使预烧过程中均匀融合。在本专利技术的一具体实施方式中，预烧温度为500℃-700℃。在本专利技术的一具体实施方式中，三元单晶前驱体与锂源的摩尔量之比为1:0.97-1.09。在本专利技术的一具体实施方式中，采用的锂源可以为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、乙酸锂或柠檬酸锂中一种或两种以上的组合。在本专利技术的制备方法中，包括制备三元正极材料的步骤。具体地，将得到的块状物料破碎，压实成块，置于高温高压炉内，通入空气或氧气，控制炉压为20MPa-30MPa，升温至烧结温度，保温0.5h-1h，将炉压降至3Pa-10Pa，继续保温10h-24h，自然冷却至室温，粉碎，得到三元单晶正极材料。预烧过程中，三元单晶前驱体和锂源会释放大量水蒸气等气体，颗粒间存在“蜂窝”状气孔，本专利技术的制备三元正极材料的步骤中，将块状物料破碎后再压实成块的主要目的在于消除或尽量减少气孔，使颗粒之间接触更加紧密，有利于形成单晶。将环境压力保持3Pa-10Pa的目的在于保证烧结炉内压强为正压，避免外界的空气进入烧结炉内。在本专利技术的一具体实施方式中，烧结温度为800℃-950℃。在本专利技术的一具体实施方式中，可以采用压力机进行压实成块。压实成块时，压力控制为10t/m2-20t/m2；压实成块后，确保被压材料的厚度为1cm-5cm。在本专利技术的制备方法中，预烧后将烧结中间产物压实成块，有助于单晶材料紧密接触在高温烧结过程中进一步长大。在本专利技术的制备方法中，高温高压烧结有助于促进三元材料颗粒生长成单晶结构，并且材料致密，质地均匀。本专利技术又提供了一种三元正极材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元正极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：/n将镍盐、钴盐和M盐溶于水中，得到混合盐溶液；/n向混合盐溶液中加入尿素溶液，搅拌10min-20min，升温至反应温度，保温0.5h-2h，静置陈化12h-48h；/n冷却至70℃-80℃，过滤，洗涤滤饼至pH为6.5-7.5，滤饼进行真空干燥，得到三元单晶前驱体；/n将三元单晶前驱体与锂源混合，压实成块，在空气或氧气的气氛中，升温至预烧温度，保温4h-6h，自然冷却至室温，得到块状物料；/n将块状物料破碎，压实成块，在空气或氧气的气氛中，控制环境压力为20MPa-30MPa，升温至烧结温度，保温0.5h-1h，将环境压力降至3Pa-10Pa，保温10h-24h，自然冷却至室温，粉碎，得到三元正极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种三元正极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将镍盐、钴盐和M盐溶于水中，得到混合盐溶液；
向混合盐溶液中加入尿素溶液，搅拌10min-20min，升温至反应温度，保温0.5h-2h，静置陈化12h-48h；
冷却至70℃-80℃，过滤，洗涤滤饼至pH为6.5-7.5，滤饼进行真空干燥，得到三元单晶前驱体；
将三元单晶前驱体与锂源混合，压实成块，在空气或氧气的气氛中，升温至预烧温度，保温4h-6h，自然冷却至室温，得到块状物料；
将块状物料破碎，压实成块，在空气或氧气的气氛中，控制环境压力为20MPa-30MPa，升温至烧结温度，保温0.5h-1h，将环境压力降至3Pa-10Pa，保温10h-24h，自然冷却至室温，粉碎，得到三元正极材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，所述镍盐、钴盐和M盐的物质的量之比为x:y:1-x-y，0.50≤x<1，0<y≤0.20；
优选地，所述混合盐溶液的浓度为1mol/L-4mol/L；
优选地，所述M盐为Mg、Al或Mn中一种或两种以上的可溶性盐。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述尿素溶液的浓度为2mol/L-4mol/L；
优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵长青，王振昆，张二冬，龙君君，高玉仙，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34