一种正极活性材料、锂离子二次电池和用电设备制造技术

本发明专利技术公开了一种正极活性材料、锂离子二次电池和用电设备。该正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物中的至少一种，正极活性材料满足0.42≤U≤4.50；其中U＝6K/(π

【技术实现步骤摘要】
一种正极活性材料、锂离子二次电池和用电设备


[0001]本申请涉及二次电池
，尤其是涉及一种正极活性材料、锂离子二次电池和用电设备。

技术介绍

[0002]正极材料是影响锂离子电池性能最关键的材料之一，三元材料因其高能量密度在动力电池领域得到了广泛的应用，但由于钴资源储量低、高成本，三元材料的价格远高于磷酸铁锂。因此，降低三元材料中的钴含量成为降低电池成本的有效手段之一。然而，现有的三元材料在钴含量下降时，锂离子脱嵌动力学变差，会导致电池的容量和初始功率大幅下降；同时，也会影响材料的倍率性能下降，难以适应现有的高倍率快充；而且，在钴含量较低时，材料的表面结构稳定性也会变差，表面副反应增多，导致其长期寿命迅速衰减，循环阻抗增长恶化严重。因此，有必要提供一种兼顾容量、倍率性能和循环性能的低钴三元正极活性材料。

技术实现思路

[0003]本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种低钴三元正极活性材料，该正极活性材料可以兼顾较好的容量、循环性能和倍率性能。
[0004]本申请的第一方面，提供一种正极活性材料，该正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物中的至少一种，正极活性材料满足0.42≤U≤4.50；
[0005]其中U＝6K/(π
·
D
v
992·
C)，
[0006]K为60MPa压强下正极活性材料的电导率，单位为μs/cm；
[0007]D
v
99为正极活性材料的体积累计分布百分数达到99％时所对应的粒径，单位为μm；
[0008]C为60MPa压强下正极活性材料的压实密度，单位为g/cm3。
[0009]根据本申请实施例的正极活性材料，至少具有如下有益效果：
[0010]本申请中通过控制正极活性材料粒径、正极活性材料电阻率及正极活性压实密度，同时使三者满足上述关系，使低钴材料具有较高的容量，同时可以满足快充时的低阻抗的需求，能够有效降低大倍率下的产热，从而提升安全性能；并且能够在保证动力学性能的前提下，减缓加速容量衰减，提高快充循环寿命。
[0011]对于本申请中的正极活性材料，锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物包括由一次颗粒团聚而成的二次颗粒。可以理解的是，在正极活性材料中也不排除单独的一次颗粒的存在，例如未曾聚集成二次颗粒的一次颗粒，或者在诸如破碎工序中从二次颗粒上重新剥落下的一次颗粒等。因此，D
v
99是指包含一次颗粒以及二次颗粒在内的全部正极活性材料的体积累计分布百分数达到99％时所对应的粒径。同理，如存在，D
v
50是指包含一次颗粒以及二次颗粒在内的全部正极活性材料的体积累计分布百分数达到50％时所对应的粒径，D
v
10是指包含一次颗粒以及二次颗粒在内的全部正极活性材料的体积累计分布百分数达到
10％时所对应的粒径。通过D
v
99、D
v
50、D
v
10以及其之间的相关关系可以反映正极活性材料的颗粒粒径及其分布情况，其具体数值可以通过本领域所知的相关方法和/或仪器获得，例如可以通过激光粒度分析仪来测定上述参数。
[0012]在正极活性材料中，其包含多个锂镍钴锰氧化物和/或锂镍钴铝氧化物的颗粒，是由一次颗粒和二次颗粒所组成的粉体集合，因此，正极活性材料的电导率是指这一粉体整体的电导率。因此，需要说明的是，正极活性材料的电导率K受到锂镍钴锰氧化物颗粒的电导率、正极活性材料中锂镍钴锰(和/或铝)氧化物颗粒的粒径分布、正极活性材料中锂镍钴锰(和/或铝)氧化物颗粒堆积的松紧度等多种因素的综合影响，整体反映正极活性材料的导电能力。正极活性材料的电导率K的具体数值可以通过本领域所知的相关方法和/或仪器获得，例如可以通过电阻率的测量计算出其电导率，包括采用四探针法测量正极活性材料的电导率。具体而言，可以将正极活性材料置于容器中并施加压力，通入电流后测量正极活性材料上的电压降，得到电阻率和电导率。因此，其电导率与施加于其上的压力同样存在一定关系，在本申请中，以60MPa压强作为测量标准。在其中一些具体的实施方式中，电导率的测试方法为：采用四探针法，将正极活性材料置于容器中加压到60MPa压强，待稳定后5s读数得到电阻率，取倒数得到电导率。类似的，正极活性材料的压实密度C与其中锂镍钴锰(和/或铝)氧化物颗粒的粒径以及粒径分布等因素有关，反映正极活性材料的压实能力。压实密度C的测试方法为：将一定质量的正极活性材料置于模具中，加压至60MPa，待稳定后5s记录高度的数值，压实密度通过样品质量、高度和模具面积计算得出。正极活性材料层中的正极活性材料的压实密度可以通过煅烧收集正极活性材料，之后进行测试。
[0013]综合以上可以看到，本申请的方案中通过控制正极活性材料满足上述关系，保证正极活性材料中颗粒的单位质量电导，使正极活性材料中一次颗粒之间、二次颗粒之间以及一次和二次颗粒之间更紧密接触，使锂离子在颗粒间的传输路径变短，提升正极活性材料的动力学性能，进一步改善低钴材料钴含量下降带来的动力学问题，保证正极活性材料具有较高的锂离子和电子传输能力，从而使得利用此正极活性材料制备得到的锂离子二次电池在高倍率条件下仍然具有较高的循环寿命；同时，使用该正极活性材料的正极极片具有较高的导电能力，最终能够保证锂离子二次电池满足快充技术对阻抗极高的要求，提升功率性能，同时大大地降低了因阻抗过大产热给电池带来的性能衰减和安全隐患。
[0014]在本申请的一些实施方式中，低钴是指以正极活性材料中除锂外的金属元素的总摩尔量为100％计，钴元素的摩尔百分比不超过25％，例如不超过25％、24％、23％、22％、21％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％。由于正极材料中钴主要用于提高其导电性，增强材料的倍率性能，因此，为了提高其快充能力，在其中一些具体的实施方式中，钴元素的摩尔百分比不低于0.01％，例如不低于0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％。进一步的，以锂镍钴锰氧化物或锂镍钴铝氧化物中除锂外的金属元素的总摩尔量为100％计，钴元素的摩尔百分比在0.1～25％、1～20％、5～15％。可以理解的是，在其中的一些方式中，低钴也并不排除钴含量极低，可以视为含量为0的无钴的情况。
[0015]在本申请的一些实施方式中，U为1.00～4.00。进一步，U为1.30～3.50。
[0016]在本申请的一些实施方式中，正极活性材料满足以下(
ⅰ
)～(
ⅲ
)中的至少一条：
[0017](
ⅰ
)180μs/cm≤K≤430μs/cm；
[0018](
ⅱ
)8μm≤D
v
99≤14μm；
[0019](本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物中的至少一种，所述正极活性材料满足0.42≤U≤4.50；其中U＝6K/(π
·
D
v
992·
C)，K为60MPa压强下所述正极活性材料的电导率，单位为μs/cm；D
v
99为所述正极活性材料的体积累计分布百分数达到99％时所对应的粒径，单位为μm；C为60MPa压强下所述正极活性材料的压实密度，单位为g/cm3。2.根据权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，以所述正极活性材料中除锂外的金属元素的总摩尔量为100％计，所述钴元素的摩尔百分比不超过25％。3.根据权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料满足以下(
ⅰ
)～(
ⅲ
)中的至少一条：(
ⅰ
)180μs/cm≤K≤430μs/cm；(
ⅱ
)8μm≤D
v
99≤14μm；(
ⅲ
)3.1g/cm3≤C≤3.7g/cm3。4.根据权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料满足2.5μm≤D
v
50≤6μm，所述D
v
50为所述正极活性材料的体积累计分布百分数达到50％时所对应的粒径。5.根据权利要求1至4任一项所述的正极活性材料，其特征在于，所述锂镍钴锰氧化物和/或锂镍钴...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛齐，陈巍，褚春波，张耀，
申请(专利权)人：欣旺达电动汽车电池有限公司，
类型：发明
国别省市：