一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料，化学通式为Li

【技术实现步骤摘要】
一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池是用于储能应用最重要的装置之一，具有高的能量密度和循环效率、低自放电、无记忆效应等优点，其在动力电池方面更具有广阔的应用前景，而且随着社会的进步，对能量的需求逐渐对锂电池的要求不断提高。以镍
‑
钴
‑
锰元素构成的层状锂离子材料，由于三种元素对材料的协同作用在近年来发展迅速，尤其以高镍低钴的三元材料，不仅提供了高的能量密度也降低了元素钴带来的各项成本，得到了人们的重点研究。但是随之而来的高镍化带来了材料结构的不稳定，会出现Li/Ni混排等晶体结构性的差异和制备过程的条件苛刻导致容量差理论比容量较多，并且高镍三元材料随着Ni含量的上升，提升容量的同时热分解温度却不断降低，具有在350℃以内受热容易发生分解的缺点，从而导致安全隐患增加。高镍正极材料可以提供高的容量而受到人们青睐，但是安全问题一直制约着高镍材料的广泛应用。在车辆应用中，其中温度会变得不受控制并导致火灾甚至爆炸。而正极材料是锂离子电池提供能量核心部件之一，发展高能量密度和优秀热稳定性的正极材料是十分重要的。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料及其制备方法以及应用，本专利技术提供的高镍锂离子电池正极材料具有高能量密度和优秀的热稳定性。
[0004]本专利技术提供了一种含有热稳定性元素M
Td
及相似性质元素包覆的二次烧结工艺高镍锂离子正极材料及方法。
[0005]本专利技术提供了一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料，化学通式为Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
M
Td
O2；
[0006]其中，0.01≤x≤0.03、0.8≤a<1、0.03≤b≤0.1、0.5≤c/b≤1、0.006≤d≤0.016且a+b+c+d＝1；M
T
选自Al、Zr、Si、Ti、Mg、W、Mo、P、Ta、Ce、Nb、Mn、Y和F中的一种或多种；
[0007]所述高镍锂离子电池正极材料为球形颗粒，热稳定元素M
T
由球形颗粒表面至球形颗粒内部呈现出降低的水平。所述高镍锂离子电池正极材料的内部未掺杂M
T
；
[0008]所述高镍锂离子电池正极材料表面有一种或多种两性元素的化合物包覆。
[0009]优选的，所述材料结构内部疏松，且表层颗粒呈现发散状排布；
[0010]所述表层颗粒长径的法平面与内部颗粒长径的法平面在三维空间上呈现垂直的关系。
[0011]优选的，Li与金属离子的摩尔比为1.00～1.08；
[0012]所述正极材料的颗粒耐压强度≥89.8Mpa；
[0013]所述正极材料的颗粒径宽分布众数在0.34～0.60μm之间；
[0014]所述正极材料的平均晶胞体积在之间。
[0015]本专利技术还提供了一种上述具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016]A)将锂源、高镍三元前驱体和第一添加剂混合后在含氧气体条件下进行烧结；
[0017]所述第一添加剂含有Al、Zr、Si、Ti、Mg、W、Mo、P、Ta、Ce、Nb、Mn、Y和F中的一种或多种元素。
[0018]优选的，所述含氧气体为氧气含量≥98vol％的含氧气氛。
[0019]优选的，所述烧结的温度为650～850℃，所述烧结的升温速率为2℃/min～10℃/min，所述烧结的保温时间＜20h。
[0020]优选的，在步骤A)的烧结步骤之后，还包括将烧结产物破碎过筛以及水洗和烘干，得到水洗料；
[0021]然后将所述水洗料与第二添加剂混合进行第二次烧结，过筛后，得到高镍锂离子电池正极材料。
[0022]优选的，所述水洗温度为<40℃，水料质量比为(0.5～3):1；
[0023]所述水洗料中自由锂含量需要≤1400ppm。
[0024]优选的，所述第二添加剂选自一种或多种两性化合物；
[0025]所述第二次烧结的气氛条件为含氧气氛，烧结的温度≤600℃，烧结的时间为＜15h，烧结的升温速率为2℃/min～10℃/min。
[0026]优选的，所述水洗料表面有两性元素的包覆，包覆量在5000ppm以下。
[0027]与现有技术相比，本专利技术提供具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料，化学通式为Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
M
Td
O2；其中，0.01≤x≤0.03、0.8≤a<1、0.03≤b≤0.1、0.5≤c/b≤1、0.006≤d≤0.016且a+b+c+d＝1；M
T
选自Al、Zr、Si、Ti、Mg、W、Mo、P、Ta、Ce、Nb、Mn、Y和F中的一种或多种；所述高镍锂离子电池正极材料为球形颗粒，所述热稳定元素M
T
由球形颗粒表面至球形颗粒内部呈现出降低的水平；所述高镍锂离子电池正极材料表面有一种或多种两性元素的化合物包覆。在本专利技术中，正极材料颗粒表面和内部M
T
具有不均匀的特征，材料颗粒本质上内部为高镍NCM三元材料，而材料其他部分为NCMM
T
高镍四元材料。颗粒表面阳离子M
T
的加入为保持基体电中性，也会带来O2‑
，这样的效果抑制了在充电过程中[O]的逃逸，并替代了部分骨架离子以及对晶格空隙的填充，这样有效抑制晶格内部应力的发展，进而提高了高镍正极材料的晶体结构稳定性；该结构在保持容量发挥的基础上，既有利于抑制一次颗粒的表面副反应也有效改善嵌脱锂离子过程的应力释放。本专利技术提供的高镍锂离子电池正极材料热分解温度高，掺杂元素对球形颗粒内部晶体结构的有害效果较低，放电容量高。
附图说明
[0028]图1为本专利技术提供的高镍锂离子电池正极材料的制备工艺流程图；
[0029]图2为高镍三元前驱体Ni
0.86
Co
0.06
Mn
0.08
(OH)2的剖面图；
[0030]图3为本专利技术制备得到的高镍锂离子电池正极材料的剖面图；
[0031]图4为本专利技术制备得到的高镍锂离子电池正极材料的SEM照片；
[0032]图5为图4中高镍锂离子电池正极材料的可视一次颗粒的径宽分布直方图；
[0033]图6为实施例1和对比例1的单值图；
[0034]图7为实施例1和对比例1的箱线图；
[0035]图8为实施例1的充放电曲线；
[0036]图9为实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有热安全性的高镍锂离子电池正极材料，其特征在于，化学通式为Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
M
Td
O2；其中，0.01≤x≤0.03、0.8≤a<1、0.03≤b≤0.1、0.5≤c/b≤1、0.006≤d≤0.016且a+b+c+d＝1；M
T
选自Al、Zr、Si、Ti、Mg、W、Mo、P、Ta、Ce、Nb、Mn、Y和F中的一种或多种；所述高镍锂离子电池正极材料为球形颗粒，热稳定元素M
T
由球形颗粒表面至球形颗粒内部呈现出降低的水平；所述高镍锂离子电池正极材料表面有一种或多种两性元素的化合物包覆。2.根据权利要求1所述的高镍锂离子电池正极材料，其特征在于，所述材料结构内部疏松，且表层颗粒呈现发散状排布；所述表层的颗粒长径的法平面与内部的颗粒长径的法平面在三维空间上呈现垂直的关系。3.根据权利要求1所述的高镍锂离子电池正极材料，其特征在于，Li与金属离子的摩尔比为1.00～1.08；所述正极材料的颗粒耐压强度≥89.8Mpa；所述正极材料的颗粒径宽分布众数在0.34～0.60μm之间；所述正极材料的平均晶胞体积在之间。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的具有热安全性的高镍锂离子电池正...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗博，于建，戚洪亮，孟祥鹤，
申请(专利权)人：宁波容百新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：