【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池领域，涉及一种高镍正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、在国家新能源政策的推动下，我国新能源相关产业得到迅猛蓬勃发展，锂离子电池由于具有高工作电压、高能量密度以及长循环寿命等优点而得到广泛应用。
2、正极材料是锂离子电池的重要组成，也是决定锂离子电池性能和成本的关键因素。三元正极材料，是至少包含镍和钴两种元素的锂金属氧化物，其具有良好的三元协同效应，表现出比容量高、循环性能好、成本低、毒性小等优势，是一种极具应用价值的正极材料。三元正极材料中，镍是主要的氧化还原反应元素，通过提高镍含量可以有效提高三元材料的比容量，钴元素可以稳定材料的层状结构，减轻阳离子混排、便于锂离子和电子传输，随着钴资源的稀缺，三元正极材料的高镍低钴化的趋势越来越明显。然而随着镍含量的提高，钴含量的降低，正极材料的稳定性变差，与电解液的副反应更为严重，导致锂离子电池的容量、循环性能和库伦效率变差。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种高镍正极材料，该材料具有二次颗粒表层晶界富钴结构，可增强材料的结构稳定性，减少与电解液之间发生副反应，从而使电池具有优异的放电容量、库伦效率和容量保持率。
2、本专利技术还提供一种高镍正极材料的制备方法，该方法通过对高镍正极材料前驱体、锂源和钴源的混合体系进行预烧结，在前驱体颗粒表面形成钴酸锂，并在锂源助熔下使钴酸锂注入晶界处，通过控制后续烧结条件避免钴元素向二次颗粒内核和晶粒内部的扩散，从而制备得到二次颗粒表层晶界富钴的高镍正
3、本专利技术还提供一种正极片，由于该正极片包括上述高镍正极材料，因此该正极片具有良好的稳定性，不易与电解液发生副反应。
4、本专利技术还提供一种锂离子电池，由于该锂离子电池包括上述正极片，因此该锂离子电池具有优异的放电容量、库伦效率和容量保持率。
5、本专利技术第一方面提供一种高镍正极材料，所述高镍正极材料为一次晶粒聚集形成的二次颗粒，相邻的一次晶粒之间包括晶界；
6、所述二次颗粒表层的晶界处钴元素与镍元素的质量比为a，所述二次颗粒内核的晶界处钴元素与镍元素的质量比为b，所述二次颗粒表层的一次晶粒的钴元素与镍元素的质量比为c，其中，a大于b，且a大于c。
7、如上所述的高镍正极材料，其中，所述二次颗粒表层中包括第一掺杂元素，所述第一掺杂元素选自化合价能够达到正五价及以上的金属元素中的至少一种。
8、如上所述的高镍正极材料，其中，所述第一掺杂元素选自ta、nb、mo、w中的至少一种。
9、如上所述的高镍正极材料，其中，所述二次颗粒表层晶界处第一掺杂元素的浓度大于表层一次晶粒中第一掺杂元素的浓度。
10、如上所述的高镍正极材料，其中，所述二次颗粒中包括第二掺杂元素，所述第二掺杂元素选自zr、al、ti、mg、sc、y、la、sr、b中的至少一种。
11、如上所述的高镍正极材料，其中，所述二次颗粒的表面包覆有包覆层，所述包覆层包括b、al、ce、zr、ti、si中的至少一种元素。
12、如上所述的高镍正极材料，其中，所述高镍正极材料的化学组成为linnixcoykzmanbo2，其中，0.95＜n＜1.1，0.85≤ni＜1，0＜y≤0.15，0≤z≤0.15，0＜a≤0.15，0＜b≤0.05；k选自mn或al；m选自al、zr、y、ti、sr、ce、la、mg、b、si、sc中的至少一种；n选自ta、nb、mo、w、sb、bi、v中的至少一种。
13、本专利技术第二方面提供一种如上所述的高镍正极材料的制备方法，包括以下步骤：
14、1)对包括高镍正极材料前驱体、锂源和钴源的混合体系在含氧氛围下进行预烧结，得到预烧结料；
15、所述预烧结的温度为400～600℃，时间为4～10h；
16、2)对包括所述预烧结料和第一掺杂元素的化合物的混合体系在含氧氛围下进行一次烧结，得到所述一次烧结料；
17、所述第一掺杂元素选自化合价能够达到正五价及以上的金属元素中的至少一种；
18、所述一次烧结的温度为650～800℃，时间为8～16h；
19、3)对所述第一烧结产物在含氧氛围下进行二次烧结，得到所述高镍正极材料。
20、如上所述的制备方法，其中，步骤2)中，所述混合体系中还包括第二掺杂元素的化合物，所述第二掺杂元素选自zr、al、ti、mg、sc、y、la、sr、b中的至少一种。
21、如上所述的制备方法，其中，步骤3)中，所述二次烧结包括：将第一烧结产物和包覆剂的混合体系在200～500℃下烧结8～16h；
22、所述包覆剂选自含有包覆元素的化合物，所述包覆元素选自b、al、ce、zr、ti、si中的至少一种。
23、本专利技术第三方面提供一种正极片，包括如上所述的高镍正极材料。
24、本专利技术第四方面提供一种锂离子电池，包括如上所述的正极片。
25、本专利技术的实施，至少具有以下优势：
26、1)本专利技术的高镍正极材料，其二次颗粒由多个一次晶粒聚集形成，且二次颗粒表层的晶界富钴，具体体现为二次颗粒表层的晶界处钴元素与镍元素的质量比为a大于二次颗粒表层的一次晶粒的钴元素与镍元素的质量比c以及二次颗粒内核的晶界处钴元素与镍元素的质量比为b，能显著提升材料的结构稳定性，减少材料与电解液之间发生的副反应，提高库伦效率和循环寿命，并在充放电过程维持层状结构保证锂离子传输通道，提升倍率性能，且钴富集在二次颗粒表层晶界处能够有效减少二次颗粒整体的钴含量进而避免二次颗粒整体的钴元素浓度过高降低正极材料的容量，提高正极材料的能量密度。
27、2)本专利技术提供的高镍正极材料的制备方法，对高镍正极材料前驱体、锂源和钴源的混合体系进行预烧结，可保证钴源与锂源充分接触反应在前驱体颗粒表面形成钴酸锂，并在锂源助熔下使钴酸锂注入晶界处。一次烧结过程中通过加入高价金属元素掺杂进入表层晶界处，高价金属更强的金属-氧键抑制了co元素从晶界向一次晶粒的扩散和一次晶粒之间的扩散，从而在高温过程中保持了表层晶界富钴，且表层晶界处钴浓度大于表层一次晶粒中钴浓度的结构。另外，二次颗粒表层掺杂的高价元素还能抑制氧气析出，改善正极材料的存储性能，降低产气。
28、3)由于本专利技术的高镍正极材料具有良好的结构稳定性，能够减少材料与电解液之间发生副反应，因此将该高镍正极材料应用于正极片中进而应用至锂离子电池中，能够使锂离子电池具有优异的放电容量、库伦效率和容量保持率。
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1.一种高镍正极材料，其特征在于，所述高镍正极材料为一次晶粒聚集形成的二次颗粒，相邻的一次晶粒之间包括晶界；
2.根据权利要求1所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒表层中包括第一掺杂元素，所述第一掺杂元素选自化合价能够达到正五价及以上的金属元素中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的高镍正极材料，其特征在于，所述第一掺杂元素选自Ta、Nb、Mo、W中的至少一种。
4.根据权利要求2或3所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒表层晶界处第一掺杂元素的浓度大于表层一次晶粒中第一掺杂元素的浓度。
5.根据权利要求1所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒中包括第二掺杂元素，所述第二掺杂元素选自Zr、Al、Ti、Mg、Sc、Y、La、Sr、B中的至少一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒的表面包覆有包覆层，所述包覆层包括B、Al、Ce、Zr、Ti、Si中的至少一种元素。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高镍正极材料，其特征在于，所述高镍正极材料的化学组成为L
8.一种权利要求1-7任一项所述的高镍正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述混合体系中还包括第二掺杂元素的化合物，所述第二掺杂元素选自Zr、Al、Ti、Mg、Sc、Y、La、Sr、B中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述二次烧结包括：将第一烧结产物和包覆剂的混合体系在200～500℃下烧结8～16h；
11.一种正极片，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的高镍正极材料。
12.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求11所述的正极片。
...【技术特征摘要】
1.一种高镍正极材料，其特征在于，所述高镍正极材料为一次晶粒聚集形成的二次颗粒，相邻的一次晶粒之间包括晶界；
2.根据权利要求1所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒表层中包括第一掺杂元素，所述第一掺杂元素选自化合价能够达到正五价及以上的金属元素中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的高镍正极材料，其特征在于，所述第一掺杂元素选自ta、nb、mo、w中的至少一种。
4.根据权利要求2或3所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒表层晶界处第一掺杂元素的浓度大于表层一次晶粒中第一掺杂元素的浓度。
5.根据权利要求1所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒中包括第二掺杂元素，所述第二掺杂元素选自zr、al、ti、mg、sc、y、la、sr、b中的至少一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高镍正极材料，其特征在于，所述二次颗粒的表面包覆有包覆层，所述包覆层包括b、al、ce、zr、ti、si中的至少一种元素。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高镍正极材料，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴谷，林哲琪，黄晓笑，于建，
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：
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