一种正极材料前驱体及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种正极材料前驱体及其制备方法和用途，通过将盐溶液、碱溶液和氨溶液进行三阶段共沉淀反应得到产物，每一阶段段共沉淀反应均包括在较高pH条件下进行籽晶生成的过程和在较低pH条件下进行的晶粒匀速生长过程；将所述产物经陈化、洗涤、烘干得到正极材料前驱体。本发明专利技术中得到大小二次球颗粒混掺的前驱体材料，其中小颗粒填充于大颗粒之间八面体空隙与四面体空隙，符合材料的紧密堆积要求。相比常规三元前驱体材料，所述材料具有提高的振实密度，达到2.2~2.5 g/cc，更易满足目前对于锂离子电池高能量密度的要求。本发明专利技术工艺简单，产能可控，易于大规模生产应用。

A precursor of cathode material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料前驱体及其制备方法和用途
本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种正极材料前驱体及其制备方法和用途。
技术介绍
锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。随着社会经济的高速发展，开发、利用新能源越来越迫切，其中，新型锂离子电池属于清洁能源，其具有安全性、高循环性、长寿命以及环境友好等优点，被视为最有效的电化学储能系统之一。正极、负极、隔膜、电解液作为锂离子电池的四大关键材料，其中，锂离子电池的能量密度主要取决于正极材料的能量密度。目前三元材料LiNixCoyMnzO2(NCM)或LiNixCoyAlzO2(NCA)是应用和研究最为广泛的正极材料之一，而前驱体作为三元材料的核心，其颗粒尺寸、粒径分布、表面形貌等理化性质直接决定了材料的性能。现有商用的三元材料前驱体一般为D50粒度在8-12μm左右的球形颗粒，其中部分类型的前驱体为窄粒径分布、颗粒尺寸均一的材料，此外还有粒径分布较宽、大小颗粒混掺的前驱体产品，后者具有相对较高的振实密度。从微观角度看，半径为R的等径圆球密堆积时，中间充斥着四面体以及八面体间隙，每个圆球平均分摊到两个四面体空隙和一个八面体空隙，其中四面体空隙中可容纳半径最大为0.225R的小球颗粒，而八面体空隙中则可以容纳半径最大为0.414R的小球颗粒。因此若设计具有特定粒径分布的前驱体材料，在紧密堆积的大颗粒间隙中均匀地填满小球颗粒，可使材料具有更高的振实密度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术有必要提供一种正极材料前驱体及其制备方法和用途，通过三段共沉淀反应，在共沉淀反应过程中，在特定较高pH生成细小、尺寸确定的籽晶颗粒，在特定较低pH中使颗粒按照相应的速度生成，从而通过控制对不同反应条件、反应时间和进料流速的调控，直接一步法获得振实密度高的正极材料前驱体，解决了现有的商用三元正极材料前驱体振实密度低，无法满足锂离子电池正极材料高能量密度的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：S1、将镍源、钴源和锰源溶于去离子水中制成盐溶液，再分别配置碱溶液、氨溶液和酸溶液备用；向反应容器中加入所述氨溶液，并将反应容器中所述氨溶液的浓度调整至7-15g/L，然后搅拌、加热至50-60℃后去除溶解氧；S2、向所述反应容器中同时加入所述盐溶液、所述碱溶液和所述氨溶液进行三阶段共沉淀反应得到产物，每一阶段段共沉淀反应均包括在第一pH条件下进行籽晶生成的过程和在第二pH条件下进行的晶粒匀速生长过程，其中，所述第一pH在11.7-12.5之间，所述第二pH在10.6-11.4之间；S3、将所述产物经陈化、洗涤、烘干得到正极材料前驱体。进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21、第一阶段共沉淀：调高体系pH后，开始进料，其中，所述盐溶液的流速为10-20mL/min，氨溶液流速为2-4mL/min，维持当前pH条件反应0.5-1.5h后，停止进料；再调低体系pH后，继续进料，其中，所述盐溶液的流速为20-35mL/min，氨溶液流速为4-7mL/min，维持当前pH条件反应8-20h后，停止进料；S22、第二阶段共沉淀：调高体系pH后，开始进料，其中，所述盐溶液的流速为10-20mL/min，氨溶液流速为2-4mL/min，维持当前pH条件反应0.5-1.5h后，停止进料；再调低体系pH后，继续进料，其中，所述盐溶液的流速为20-35mL/min，氨溶液流速为4-7mL/min，维持当前pH条件反应4-10h后，停止进料；S23、第三阶段共沉淀：调高体系pH后，开始进料，其中，所述盐溶液的流速为10-20mL/min，氨溶液流速为2-4mL/min，维持当前pH条件反应0.5-2.5h后，停止进料；再调低体系pH后，继续进料，其中，所述盐溶液的流速为20-35mL/min，氨溶液流速为4-7mL/min，维持当前pH条件反应4-10h后，停止反应得到所述产物；上述步骤中，体系根据所设定的pH自动控制碱溶液的流速，同时通过提浓槽溢流排放清液。其中，步骤S21、S22、S23中所述的调高体系pH的具体步骤为：向体系中加入所述碱溶液，调节体系pH至所述第一pH；所述的调低pH的具体步骤为：向体系中加入所述酸溶液，调节体系pH至所述第二pH；所述的进料指的是向体系中同时加入所述盐溶液、所述碱溶液和所述氨溶液。进一步的，步骤S1中，所述盐溶液中，所述镍、钴和锰总的摩尔浓度为0.2-2.5mol/L；所述镍源选自硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍中的至少一种；所述钴源选自硝酸钴、醋酸钴、硫酸钴、氯化钴中的至少一种；所述锰源选自硝酸锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰中的至少一种。这里所述的镍源、钴源和锰源均为本领域常用的制备NCM材料的原料，因此不再做详细的赘述。而其具体的添加比例可以根据需要制备的正极材料前驱体NixCoyMnz(OH)2中的化学计量关系进行调整，故不作具体的限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。进一步的，步骤S1中，所述碱溶液为浓度1-4mol/L的氢氧化钠溶液；所述氨溶液中，NH3的摩尔浓度为1-7mol/L；所述酸溶液选自硝酸、醋酸、硫酸、盐酸中的至少一种，所述酸溶液中，H+的摩尔浓度为1-4mol/L。进一步的，步骤S1中，所述搅拌的转速为400-900rpm。进一步的，步骤S3中，所述陈化、洗涤、烘干的具体步骤为：将所述产物于50-60℃搅拌24-48h陈化后，再分别碱洗1次、水洗3次后，将洗涤后的产物置于105-120℃干燥24-36h。优选的，所述碱洗采用的是浓度为1-3mol/L的氢氧化钠溶液。本专利技术还提供了一种正极材料前驱体，采用上述制备方法制得。进一步的，所述正极材料前驱体的化学通式为NixCoyMnz(OH)2，其中，0.5≤x≤0.95、0.05≤y≤0.5、z＝1-x-y。本专利技术还提供了上述正极材料前驱体在用于制备锂离子电池中的用途。与现有技术相比，本专利技术中的正极材料前驱体通过三阶段共沉淀反应制得，在共沉淀反应过程中，选择特定较高pH值有利于生成细小、尺寸确定的籽晶颗粒，而特定较低的pH条件则有利于颗粒按照相应的速度生成，通过对不同反应条件、反应时间以及进料流速的调控，直接由一步法获得特定粒径分布的正极材料前驱体，且材料的粒径分布可控。本专利技术中制得的正极材料前驱体的二次球颗粒大小为2.5-11μm，为大小二次球颗粒混掺，其中小颗粒填充在大颗粒的八面体空隙与四面体空隙，粒径呈特定的梯度分布，符合材料的紧密堆积要求，相比于常规的前驱体材料具有更高的振实密度，本专利技术的正极材料前驱体振实密度可达2.2～2.5g/cc。从而使得本专利技术中的前驱体制得的锂离子电池正极材料更容易满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正极材料前驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n S1、将镍源、钴源和锰源溶于去离子水中制成盐溶液，再分别配置碱溶液、氨溶液和酸溶液备用；向反应容器中加入所述氨溶液，并将反应容器中所述氨溶液的浓度调整至7-15g/L，然后搅拌、加热至50-60℃后去除溶解氧；/nS2、向所述反应容器中同时加入所述盐溶液、所述碱溶液和所述氨溶液进行三阶段共沉淀反应得到产物，每一阶段段共沉淀反应均包括在第一pH条件下进行籽晶生成的过程和在第二pH条件下进行的晶粒匀速生长过程，其中，所述第一pH在11.7-12.5之间，所述第二pH在10.6-11.4之间；/nS3、将所述产物经陈化、洗涤、烘干得到正极材料前驱体。/n

【技术特征摘要】
1.一种正极材料前驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将镍源、钴源和锰源溶于去离子水中制成盐溶液，再分别配置碱溶液、氨溶液和酸溶液备用；向反应容器中加入所述氨溶液，并将反应容器中所述氨溶液的浓度调整至7-15g/L，然后搅拌、加热至50-60℃后去除溶解氧；
S2、向所述反应容器中同时加入所述盐溶液、所述碱溶液和所述氨溶液进行三阶段共沉淀反应得到产物，每一阶段段共沉淀反应均包括在第一pH条件下进行籽晶生成的过程和在第二pH条件下进行的晶粒匀速生长过程，其中，所述第一pH在11.7-12.5之间，所述第二pH在10.6-11.4之间；
S3、将所述产物经陈化、洗涤、烘干得到正极材料前驱体。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、第一阶段共沉淀：调高体系pH后，开始进料，其中，所述盐溶液的流速为10-20mL/min，氨溶液流速为2-4mL/min，维持当前pH条件反应0.5-1.5h后，停止进料；再调低体系pH后，继续进料，其中，所述盐溶液的流速为20-35mL/min，氨溶液流速为4-7mL/min，维持当前pH条件反应8-20h后，停止进料；
S22、第二阶段共沉淀：调高体系pH后，开始进料，其中，所述盐溶液的流速为10-20mL/min，氨溶液流速为2-4mL/min，维持当前pH条件反应0.5~1.5h后，停止进料；再调低体系pH后，继续进料，其中，所述盐溶液的流速为20-35mL/min，氨溶液流速为4-7mL/min，维持当前pH条件反应4-10h后，停止进料；
S23、第三阶段共沉淀：调高体系pH后，开始进料，其中，所述盐溶液的流速为10-20mL/min，氨溶液流速为2-4mL/min，维持当前pH条件反应0.5~2.5h后，停止进料；再调低体系pH后，继续进料，其中，所述盐溶液的流速为20-35mL/min，氨溶液流速为4-7mL/min，维持当前pH条件反应4-10h后，停止反应得到所述产物；
其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷天起，陈龙，高二平，
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