三元高镍锂离子电池正极材料及其制备方法技术

本申请涉及三元高镍锂离子电池正极材料及其制备方法。所述正极材料的总表达式为Li(Ni1‑

【技术实现步骤摘要】
三元高镍锂离子电池正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术大体属于锂离子电池正极材料制备
，具体而言涉及晶粒尺寸与元素浓度双梯度分布的三元高镍锂离子电池正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为新型二次电池，在工作电压、能量密度以及循环寿命等方面比铅酸电池有着明显的优势，目前已经被广泛应用于电动汽车(EV)、混合动力汽车(EV)等新能源交通工具领域。在锂离子电池中，正极材料是决定其性能的关键组成部分。在目前已经商业化的正极材料市场里，高镍三元材料由于其高比容量，被认为是最具有前景的正极材料。然而，三元材料随着镍含量的增加，在充放电过程中会发生粉化，与电解液接触的部分发生副反应，导致产气，并且正极材料表面出现裂缝，暴露更多接触面，形成CEI钝化膜，使得活性物质失效从而造成容量跳水。高镍三元产生粉化的原因由自身晶体结构所致，在充电过程中，随着锂离子的脱出，材料内部会发生H2到H3的不可逆相变，材料变为岩盐相，同时材料体积过度收缩，表面出现裂缝，与电解液进一步接触，发生新的副反应，循环往复，材料的结构稳定性以及热稳定性会降低，进而导致在长循环过程中材料性能的迅速衰减，更严重的还会引发一会列的安全问题。
[0003]针对以上缺点，采用一系列的改性手段改善高镍三元材料的性能成为当下锂电池领域的一大研究热点。为了进一步提升高镍三元正极材料的性能，研究者们通过元素掺杂、表面包覆、形貌尺寸调控以及元素比例浓度分布等方式进行改进。其中将材料制备为浓度梯度正极材料的改性手法不引入其他元素，通过降低材料表面的镍含量，但不改变材料的金属总组成，有效兼顾了高容量和高表面稳定性的优势。部分学者在进行浓度梯度材料的制备时，通常分别配置高镍和低镍两种盐溶液，通过控制两种盐溶液的进料速度来实现元素的浓度梯度分布。由于不同元素组成的前驱体所需要的共沉淀的条件是不同的，因此使用该方法控制制备过程中的条件稳定性十分困难，可重复性差且制备的前驱体不具有最优的结晶性，可能无法完全发挥出材料的性能。

技术实现思路

[0004]针对以上存在的问题，本申请的一个或多个实施方式提供了晶粒尺寸与元素浓度双梯度分布的三元高镍锂离子电池正极材料及其制备方法。
[0005]本申请的一个或多个实施方式提供了三元高镍锂离子电池正极材料，其中所述正极材料的总表达式为Li(Ni1‑
a
‑
b
‑
c
Co
a
Mn
b
D
c
)O2，0.01<a<0.12，0.01<b<0.1，0.001<c<0.05，D元素为Sr或Mg或者Sr和Mg的混合物，所述正极材料的晶粒尺寸从表面到内部由大到小呈梯度变化，D元素与Mn离子的浓度从表面到内部逐渐降低。
[0006]在一个或多个实施方式中，a为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11或0.12。
[0007]在一个或多个实施方式中，b为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、
0.09或0.1。
[0008]在一个或多个实施方式中，c为0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04或0.05。
[0009]在一个或多个实施方式中，所述D元素使所述正极材料的晶粒尺寸从表面到内部由大到小呈梯度变化。
[0010]在一个或多个实施方式中，所述正极材料的前驱体的表达式为Ni
x
Co
y
(OH)2，其中0.85<x<1，x+y＝1。
[0011]在一个或多个实施方式中，x为0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、0.9、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99或1。
[0012]在一个或多个实施方式中，所述前驱体具有结晶性。
[0013]在一个或多个实施方式中，所述前驱体表面S含量低于2000ppm。
[0014]在一个或多个实施方式中，所述前驱体表面S含量低于1500ppm。
[0015]在一个或多个实施方式中，所述前驱体表面S含量低于1000ppm。
[0016]在一个或多个实施方式中，所述前驱体表面S含量低于500ppm。
[0017]在一个或多个实施方式中，所述前驱体表面S含量低于200ppm。
[0018]在一个或多个实施方式中，所述前驱体表面S含量低于100ppm。
[0019]在一个或多个实施方式中，磁性异物总含量低于50ppb。
[0020]在一个或多个实施方式中，磁性异物总含量低于40ppb。
[0021]在一个或多个实施方式中，磁性异物总含量低于30ppb。
[0022]在一个或多个实施方式中，磁性异物总含量低于20ppb。
[0023]在一个或多个实施方式中，磁性异物总含量低于10ppb。
[0024]在一个或多个实施方式中，所述正极材料具有表面富锰、内部富镍的具有浓度梯度的核壳结构，且所述正极材料的晶粒尺寸从表面到内部由大到小呈梯度分布。
[0025]本申请的一个或多个实施方式提供了三元高镍锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0026](1)溶液配置：使用镍盐和钴盐配置镍钴混合金属盐溶液，配置碱溶液作为沉淀剂溶液，配置络合剂溶液；
[0027](2)共沉淀反应：将步骤(1)的金属盐溶液、沉淀剂溶液和络合剂溶液加入反应釜中，搅拌进行共沉淀反应，等待D
50
生长至10
‑
14μm的粒度时，将前驱体浆料依次经过离心、洗涤、烘干、除铁、过筛处理，得到镍钴二元前驱体；
[0028](3)烧结：将步骤(2)得到的前驱体与Mn盐、Sr或Mg或者Sr和Mg的混合物按照(1
‑
10):(0.1
‑
5)的摩尔比例混合均匀，然后与氢氧化锂按照1:(1
‑
1.5)的摩尔比在球磨机下混合均匀，在氧气气氛、800
‑
1000℃下煅烧4
‑
20小时，反应结束后自然冷却至室温，所得材料即为镍钴锰酸锂三元正极材料。
[0029]在一个或多个实施方式中，通过自动控制系统来维持所述沉淀剂溶液体系的pH恒定。
[0030]在一个或多个实施方式中，所述反应釜为20L反应釜。
[0031]在一个或多个实施方式中，所述前驱体的表达式为Ni
x
Co
y
(OH)2，其中0.85<x<1，x+y＝1。
[0032]在一个或多个实施方式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三元高镍锂离子电池正极材料，其中所述正极材料的总表达式为Li(Ni1‑
a
‑
b
‑
c
Co
a
Mn
b
D
c
)O2，0.01<a<0.12，0.01<b<0.1，0.001<c<0.05，D元素为Sr或Mg或者Sr和Mg的混合物，所述正极材料的晶粒尺寸从表面到内部由大到小呈梯度变化，D元素与Mn离子的浓度从表面到内部逐渐降低。2.如权利要求1所述的三元高镍锂离子电池正极材料，其中所述D元素使所述正极材料的晶粒尺寸从表面到内部由大到小呈梯度变化。3.如权利要求1所述的三元高镍锂离子电池正极材料，其中所述正极材料的前驱体的表达式为Ni
x
Co
y
(OH)2，其中0.85<x<1，x+y＝1；优选地，所述前驱体具有结晶性；所述前驱体表面S含量低于2000ppm，磁性异物总含量低于50ppb。4.如权利要求1所述的三元高镍锂离子电池正极材料，其中所述正极材料具有表面富锰、内部富镍的具有浓度梯度的核壳结构，且所述正极材料的晶粒尺寸从表面到内部由大到小呈梯度分布。5.三元高镍锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)溶液配置：使用镍盐和钴盐配置镍钴混合金属盐溶液，配置碱溶液作为沉淀剂溶液，配置络合剂溶液；(2)共沉淀反应：将步骤(1)的金属盐溶液、沉淀剂溶液和络合剂溶液加入反应釜中，搅拌进行共沉淀反应，等待D
50
生长至10
‑
14μm的粒度时，将前驱体浆料依次经过离心、洗涤、烘干、除铁、过筛处理，得到镍钴二元前驱体；优选地，通过自动控制系统来维持所述沉淀剂溶液体系的pH恒定；优选地，所述反应釜为20L反应釜；优选地，所述前驱体的表达式为Ni
x
Co
y
(OH)2，其中0.85<x<1，x+y＝1；优选地，所述前驱体具有结晶性；(3)烧结：将步骤(2)得到的前驱体与Mn盐、Sr或Mg或者Sr和Mg的混合物按照(1
‑
10):(0.1
‑
5)的摩尔比例混合均匀，然后与氢氧化锂按照1:(1
‑
1.5)的摩尔比在球磨机下混合均匀，在氧气气氛、800
‑
1000℃下煅烧4
‑
20小时，反应结束后自然冷却至室温，所得材料即为镍钴锰酸锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜雨良，刘逸群，张洁，董林涛，安孝坤，张儒超，
申请(专利权)人：万华化学集团电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：