[發明專利]一種降低熔融態鋰源表面張力從而改善鋰離子電池正極材料高溫固相燒結過程的方法

有效

• 申請號: 201610141585.8
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105789621B
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 杜春雨;徐星;尹鴿平;左朋建;程新群;馬玉林;高云智
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

一種降低熔融態鋰源表面張力從而改善鋰離子電池正極材料高溫固相燒結過程的方法，本發明涉及一種改善鋰離子電池正極材料高溫固相燒結過程的方法，屬于鋰離子電池材料及其制造工藝技術領域。本發明的目的是為了解決鋰離子電池正極材料高溫固相燒結過程中因為熔融態的鋰源分布不均勻及浸潤不完全導致的反應不均衡和反應不充分的問題，進而改善了充放電循環過程中材料的倍率性能、循環穩定性和熱穩定性等問題。本發明改善的過程按以下步驟進行：一、鋰源預處理；二、鋰源與前驅體材料混合；三、鋰源與前驅體材料充分浸潤；四、高溫燒結。本發明制備的材料用于鋰離子電池正極材料。

技術領域

本發明涉及一種改善鋰離子電池正極材料高溫固相燒結過程的方法，屬于鋰離子電池材料及其制造工藝技術領域。

背景技術

隨著全球經濟的高速發展，人們對能源的需求也迅速提高，而傳統化石能源(煤、石油、天然氣)的減少及其造成的地球環境的日益惡化成為了人類生存發展的兩大障礙，新能源的開發成為各國研究的熱點課題之一。電池作為一種化學能和電能相互轉化的器件是合理利用能源的重要媒介。相比于傳統一次電池和以鉛酸、鎳鎘為代表的二次電池，鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、環境兼容性良好、重量輕、體積小等優勢，被稱為新一代的綠色電池。近年來，隨著可攜帶電子設備的小型化，電動汽車行業的空前發展和軍事、航天領域對電池要求不斷提高，鋰離子電池受到了世界各國極大的重視，目前日、韓、中國等各國都爭相推出新能源汽車扶持政策，使未來新能源汽車領域鋰電池需求有望迎來爆發式增長。

在鋰離子電池技術中，正極是決定鋰離子電池性能和成本的關鍵。目前，對正極材料的研究主要集中在鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元、磷酸鐵鋰等。LiCoO₂具有工作電壓高、充放電平穩、比能量高、循環性能好的特點，商業化的鋰離子電池主要采用LiCoO₂作為正極材料。但是LiCoO₂實際容量只有理論容量的一半且存在耐過充性問題，另外鈷元素價格昂貴，且容易對環境造成污染，因此在很大程度上限制了其使用范圍，尤其是在電動汽車和大型儲備電源方面。LiNiO₂的實際容量已達到180-200mAh/g，而且儲量多，價格便宜，對環境無污染。但是LiNiO₂的安全性差，制備條件苛刻且容易發生陽離子混排，這使得LiNiO₂作為商業化鋰離子電池的正極材料還有一段相當的路要走。錳系正極材料價格低廉，資源豐富，而且安全性較高、易制備，成為鋰離子電池較為理想的正極材料。層狀結構的三價錳氧化物LiMn₂O₄，其理論容量為286mAh/g，實際容量已達200mAh/g左右，但存在充放電過程中結構不穩定，以及較高工作溫度下的溶解問題。三元材料存在明顯的協同效應，其綜合性能好于單一組分正極材料，且沒有發現根本性的缺陷。但是三元材料的壓實密度和安全性能相對較差，一定程度上限制了其應用。LiFePO₄是目前最安全和最環保的鋰離子電池正極材料，具有穩定性高、安全性好、環保、價格低廉等優勢，但是LiFePO₄存在理論容量不高、振實密度低以及室溫電導率低等缺點。基于以上原因，LiFePO₄在大型鋰離子電池方面有較大優勢和非常好的應用前景。

正極材料的結構和性能與制備方法密不可分，不同的制備方法導致所制備的材料在結構、形貌、比表面積和電化學性能等方面有很大的差別。目前常見的鋰離子電池正極材料的制備技術主要有固相合成法、化學共沉淀法、溶膠凝膠法、水熱合成法、噴霧降解法等。而工業生產中常用的固相合成法和化學共沉淀法等合成方法都需要經歷高溫固相燒結步驟，反應過程中不可避免的會存在由于材料與鋰源混合不均勻導致的反應不均衡和反應不充分的問題。普遍的解決方法是通過盡可能的降低鋰源固體顆粒尺寸獲得微粉化的鋰源而在一定程度上提升混合效果，鋰源的微粉化不僅造成生產過程的復雜化，而且會造成嚴重的環境污染。經過我們的對比實驗證明，通過降低熔融態鋰源表面張力的方法來提升其對前驅體材料的浸潤效果可以有效的改善或避免由于前驅體與鋰源混合不均勻導致的反應不均衡和反應不充分的問題，充分發揮正極材料的最佳性能。

發明內容