梯度正极材料及其制备方法和锂离子电池技术

技术编号：41138267 阅读：2 留言：0更新日期：2024-04-30 18:09

本发明专利技术涉及锂离子电池材料领域，公开了一种梯度正极材料及其制备方法和锂离子电池。制备方法包括：(1)将金属盐进行共沉淀，得到掺杂的梯度前驱体；(2)将所述掺杂的梯度前驱体与第一锂源共同进行预烧结，得到贫锂氧化物；(3)将所述贫锂氧化物与第二锂源共同进行补锂两段式烧结，得到梯度正极材料；其中，在所述共沉淀的过程中，分两次加入掺杂元素；所述掺杂的梯度前驱体的化学组成满足化学式(Ni<subgt;x</subgt;D<subgt;y</subgt;M<subgt;z</subgt;)(OH)<subgt;2</subgt;，Ni的浓度由所述掺杂的梯度前驱体的核心至表面呈梯度分布，所述核心与表面的Ni浓度差不小于15％。所制得的梯度正极材料能够很好保留前驱体的浓度梯度特征，热稳定性好、高倍率放电性能优异和循环稳定性好。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池材料领域，具体涉及一种梯度正极材料及其制备方法和锂离子电池。

技术介绍

1、随着全球电动汽车市场的不断扩大，锂离子电池在电动汽车中的应用面临着一系列新的挑战，如成本、充电行为、每次充电的行驶里程、热失控风险和电池寿命等。这些挑战很大程度上取决于正极，它决定了锂离子电池的容量、循环稳定性和热行为。因此，人们对新型高性能正极材料进行了广泛的研究，例如，提高富镍层状正极的能量密度，使ni含量提高到90％以上。然而，高镍正极特别是当ni含量超过90％时，会使得正极材料在深荷电状态下存在固有的结构不稳定性，导致容量快速衰减和高热不稳定性。

2、为了提高富镍正级材料的可靠性，人们探索了多种方法来抑制正级颗粒中微裂纹的形成，其中一种方法是在正级颗粒中引入浓度梯度。

3、过渡金属离子作为浓度梯度正级粒子的组成，其浓度随与正级粒子核心的距离而变化，具有不同的功能。不稳定的ni离子集中在正极颗粒的核心，赋予高容量，而co、mn离子集中在正级颗粒的表面，减轻电解液的有害侵蚀。更重要的是，球形的二次浓度梯度正级颗粒包括紧密排列和径向取向的棒状一次颗粒，这种独特的形貌通过有效地耗散循环过程中的结构应变，限制了微裂纹的形成，从而提高了循环稳定性。

4、对于高性能浓度梯度正级材料而言，在二次颗粒内建立形态特征与成分排列相结合的结构是非常重要的。然而，在形成层状晶体结构的高温锂化过程中，不可避免地会发生tm离子的相互扩散和随之而来的初级颗粒的粗化，从而损害了浓度梯度正极材料的优势特性。

技术实现思路

1、本专利技术针对现有的高镍梯度正极材料制备方法容易产生正极材料中过渡金属快速扩散、正极材料初级颗粒粗化以及正极材料颗粒易碎的情况，进而影响高镍梯度正极材料的热稳定性、高倍率放电性能和循环稳定性的问题，提供一种梯度正极材料及其制备方法和锂离子电池。

2、为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种梯度正极材料的制备方法，包括：

3、(1)将金属盐进行共沉淀，得到掺杂的梯度前驱体；

4、(2)将所述掺杂的梯度前驱体与第一锂源共同进行预烧结，得到贫锂氧化物；

5、(3)将所述贫锂氧化物与第二锂源共同进行补锂两段式烧结，得到梯度正极材料；

6、其中，在所述共沉淀的过程中，分两次加入掺杂元素；

7、所述掺杂的梯度前驱体的化学组成满足化学式(nixdymz)(oh)2，其中，元素d选自mn、co、al、zr、ti和mg中的至少一种；

8、掺杂元素m的氧化物满足化学式maob，其中，a、b为正整数，b/a＞1.5；

9、0.8≤x＜1，x+y＝1，0.0002≤z≤0.02；

10、在所述掺杂的梯度前驱体中，ni的浓度由所述掺杂的梯度前驱体的核心至表面呈梯度分布且逐渐降低，且所述核心与表面的ni浓度差不小于15％。

11、本专利技术第二方面提供前述第一方面所述的方法制得的梯度正极材料。

12、本专利技术第三方面提供一种锂离子电池，含有前述第二方面所述的梯度正极材料。

13、本专利技术提供的梯度正极材料的制备方法，在共沉淀制备前驱体的过程中分两次投料掺杂特定的金属元素，并对所得掺杂的梯度前驱体依次进行预烧结、补锂两段式烧结，使所制得的梯度正极材料能够很好地保留前驱体的浓度梯度特征，克服了高镍正极材料颗粒易碎与加工差的缺点，具有热稳定性好、高倍率放电性能优异和循环稳定性好的特点，能够更好地满足动力、电动工具等市场对锂离子电池正极材料的性能要求。

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【技术保护点】

1.一种梯度正极材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，所述分两次加入掺杂元素包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一化合物、第二化合物的投料量满足关系式：(r13/R3)/(n1/n1+n2)≤1；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中，所述第一锂源：掺杂的梯度前驱体的重量比为(0.355-0.456)：1；

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中，对所述贫锂氧化物进行XRD测试，所述贫锂氧化物的I003/I104峰强之比为0.5-1.5。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，步骤(3)中，所述第二锂源：贫锂氧化物的重量比为(0.001-0.131)：1；

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，步骤(3)中，所述补锂两段式烧结分为依次进行的第一段烧结和第二段烧结；

8.由权利要求1-7中任意一项所述方法制得的梯度正极材料。

9.根据权利要求8所述的梯度

10.一种锂离子电池，含有权利要求8或9所述的梯度正极材料。

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【技术特征摘要】

1.一种梯度正极材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，所述分两次加入掺杂元素包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一化合物、第二化合物的投料量满足关系式：(r13/r3)/(n1/n1+n2)≤1；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中，所述第一锂源：掺杂的梯度前驱体的重量比为(0.355-0.456)：1；

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中，对所述贫锂氧化物进行xrd测试，所述贫锂氧化物的i003/i104峰强之比为0.5-1.5。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文娟，方胜庭，田新勇，
申请(专利权)人：陕西红马科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

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