一种单晶三元正极材料及其制备方法、锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种单晶三元正极材料及其制备方法、锂离子电池。具体而言，所述单晶三元正极材料主要由三元正极材料的前驱体、锂源和添加剂烧结得到；所述前驱体的结晶度为60％～70％，所述单晶三元正极材料的结晶度为80％～90％；所述添加剂包括Sr、Ca、Mg、Al、Zr、Y、Nb、W、B的氧化物、氢氧化物和盐中的一种或者几种的组合。本发明专利技术弥补了现有技术中单晶材料相较于多晶材料在制备成本和材料性能上的不足，所制得的单晶三元正极材料具有比容量高、倍率性能好、循环性能强等优点，同时单晶颗粒尺寸均一，既能减少锂镍混排，又能增强层状结构的稳定性，有利于电池容量的发挥。有利于电池容量的发挥。有利于电池容量的发挥。

【技术实现步骤摘要】
一种单晶三元正极材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本专利技术涉及三元材料领域，具体而言，涉及一种单晶三元正极材料及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着新能源行业的持续发展，锂离子电池得到了越来越广泛而深入的研究。正极材料的优劣是决定锂离子电池性能的关键所在，镍钴锰三元正极材料因具有较高的理论能量密度和较长的循环寿命而成为理想的电动汽车电池材料。
[0003]相比于多晶结构的三元正极材料，单晶结构三元正极材料具有以下优势：第一，比表低，结构稳定性高，循环稳定性好；对于多晶结构来说，随着循环次数的增加，由于二次球中的一次颗粒有着不同的晶面取向和滑移面，晶粒间晶格膨胀和收缩存在各向异性，导致其在循环后期可能会出现二次颗粒的破碎，并在一次颗粒间产生微裂纹。这使得材料与电解液接触面积增大，进而会加剧材料与电解液的副反应，造成循环性能的下降。而单晶结构在低比表面积和优异的结构稳定性共同作用下，长循环后仍能保持原有形貌结构，循环稳定性佳。良好的循环稳定性对电池的安全至关重要。第二，工作电压高，热稳定性良好。单晶材料能够在高电压下保持稳定，能够有效抵抗氧化性的电解液，可以缓解产气、长循环和热稳定性等问题，是提高材料能量密度的一条有效途径。第三，压实密度高，体积能量密度高。
[0004]不过单晶材料相比常规多晶材料仍有许多缺点：因为单晶材料单个颗粒较大，使得Li
+
扩散更加困难，因此在相同的电压区间内充放电时，单晶材料的放电比容量通常较低，容量发挥不如多晶材料，倍率性能较差。同时，单晶材料制备过程较多晶材料通常需要较高的烧结温度，颗粒均匀性较差，粉碎加工要求高，增加了生产成本。
[0005]因此，为了更加满足动力电池以及消费类电子产品等对锂离子电池正极材料的需求，亟需制备出性能更加优良、更具应用价值的单晶材料。
[0006]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一目的在于提供一种单晶三元正极材料，由低结晶度的前驱体材料制备得到，该材料由于前驱体材料结晶度低，不仅可以降低单晶三元正极材料所需要的烧结温度，避免高温烧结造成的Li损失过大的问题，所述单晶三元正极材料具有比表面积小、残碱低、稳定性高等优点，还具有比容量高、倍率性能好、循环性能强等优点。
[0008]本专利技术的第二目的在于提供一种所述的单晶三元正极材料的制备方法，所述单晶三元正极材料的前驱体采用连续式生产工艺，生产成本大幅降低的同时提高了产能；同时，所述前驱体与锂源、添加剂搭配，既提高了单晶颗粒尺寸的均一性，又能够减少锂镍混排，增强层状结构的稳定性，有利于容量的发挥。
[0009]本专利技术的第三目的在于提供一种锂离子电池，所述的锂离子电池包含所述单晶三元正极材料，该单晶三元正极材料具有较高的结晶度，可以提高电池的首次放电比容量和
首次效率；并且，该材料具有较低的比表面积，能够有效减小材料表面与电解液的副反应，同时能够降低残余碱含量，达到提高电池循环稳定性的作用。
[0010]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0011]本专利技术所提供的一种单晶三元正极材料，所述单晶三元正极材料主要由三元正极材料的前驱体、锂源和添加剂烧结得到；
[0012]其中，所述单晶三元正极材料为LiNi
x
Co
y
Mn
z
O2，x+y+z＝1，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1；优选地，0.5≤x＜0.9，0.1＜y＜0.4，0.1＜z＜0.4；
[0013]所述前驱体的结晶度为60％～70％，所述单晶三元正极材料的结晶度为80％～90％；
[0014]所述添加剂包括Sr、Ca、Mg、Al、Zr、Y、Nb、W、B的化合物。
[0015]本专利技术所提供的单晶三元正极材料，采用结晶度较低的前驱体材料，可以降低所需要的烧结温度，避免高温烧结造成的Li损失过大的问题。通过添加剂的加入，可以起到促进颗粒融合、长大，增强颗粒均匀性的作用。所得到的单晶三元正极材料颗粒度更均匀，具有比表面积小、残碱低、稳定性高等优点，还具有比容量高、倍率性能好、循环性能强等优点。
[0016]优选地，所述前驱体的Span为1～1.5。
[0017]优选地，所述前驱体的D
50
值为3.0μm～4.5μm。
[0018]优选地，所述单晶三元正极材料的Span为0.7～1.4。
[0019]优选地，所述单晶三元正极材料的D
50
为3.0μm～4.5μm。
[0020]优选地，所述单晶三元正极材料的BET为0.3m2/g～0.6m2/g。
[0021]优选地，所述单晶三元正极材料与所述前驱体的Span比值为0.7～0.9。
[0022]优选地，所述添加剂为所述前驱体的质量的0.05％～0.6％。
[0023]本专利技术所提供的一种单晶三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0024]将结晶度为60％～70％的单晶三元正极材料的前驱体与锂源和添加剂混合后在含氧气氛下进行烧结，得到结晶度为80％～90％的单晶三元正极材料；
[0025]其中，所述单晶三元正极材料为LiNi
x
Co
y
Mn
z
O2，x+y+z＝1，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1；优选地，0.5≤x＜0.9，0.1＜y＜0.4，0.1＜z＜0.4；
[0026]所述添加剂包括Sr、Ca、Mg、Al、Zr、Y、Nb、W、B的化合物。
[0027]优选地，所述添加剂为所述前驱体的质量的0.05％～0.6％。
[0028]优选地，所述烧结包括：
[0029]以2℃/min～10℃/min的升温速率升温到400℃～650℃进行第一次烧结，然后以2℃/min～10℃/min的升温速率升温至700℃～1000℃进行第二次烧结。
[0030]优选地，所述第一次烧结的时间为2h～6h。
[0031]优选地，所述第二次烧结的时间为10h～15h。
[0032]本专利技术所提供的一种锂离子电池，包括所述的单晶三元正极材料，或者所述的单晶三元正极材料的制备方法所制备的单晶三元正极材料。
[0033]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0034](1)本专利技术中镍钴锰三元单晶正极材料比表面积较小，残碱低至600ppm，因此单晶颗粒表面稳定性更优，有利于减小与电解液的表面副反应的发生，提高了正极材料的稳定
性。
[0035](2)本专利技术的单晶三元正极材料在制备过程中前驱体采用了宽粒度分布的连续式生产工艺，虽然前驱体的颗粒大小十分不均匀，结晶度低，但是在后期制备过程中通过添加了掺杂组分，既提高了单晶颗粒大小的均匀性，又减少了锂镍混排，增强了层状结构的稳定性，有利于容量的发挥质。
[0036](3)本专利技术中镍钴锰三元单晶正极材料前驱体具有较低的结晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单晶三元正极材料，其特征在于，所述单晶三元正极材料主要由三元正极材料的前驱体、锂源和添加剂烧结得到；其中，所述单晶三元正极材料为LiNi
x
Co
y
Mn
z
O2，x+y+z＝1，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1；优选地，0.5≤x＜0.9，0.1＜y＜0.4，0.1＜z＜0.4；所述前驱体的结晶度为60％～70％，所述单晶三元正极材料的结晶度为80％～90％；所述添加剂包括Sr、Ca、Mg、Al、Zr、Y、Nb、W、B的化合物中的一种或者几种的组合。2.根据权利要求1所述的单晶三元正极材料，所述前驱体的Span为1～1.5；优选地，所述前驱体的D
50
值为3.0μm～4.5μm。3.根据权利要求1所述的单晶三元正极材料，所述单晶三元正极材料的Span为0.7～1.4；优选地，所述单晶三元正极材料的D
50
为3.0μm～4.5μm；优选地，所述单晶三元正极材料的BET为0.3m2/g～0.6m2/g。4.根据权利要求1所述的单晶三元正极材料，所述单晶三元正极材料与所述前驱体的Span的比值为0.7～0.9。5.根据权利要求1所述的单晶三元正极材料，所述添加剂为所述前驱体的质量的0.05％～0.6％。6.一种单晶三元正极材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎晓静，李魁，訚硕，郑佳玲，李兵，吴娟，曾伟雄，张平，
申请(专利权)人：中伟新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：