[發(fā)明專利]一種穩(wěn)定制備單晶高鎳鋰電池三元材料的方法

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• 申請日: 2018-03-13
• 公開（公告）號: CN108417829A
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發(fā)明（設計）人: 陳慶;曾軍堂
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于鋰電池領域，提供了一種穩(wěn)定制備單晶高鎳鋰電池三元材料的方法，按照Ni:Co:Mn：Mg為6:2:1.5:0.5將Ni、Co、Mn、Mg的鹽溶液混合，然后沉淀、噴霧干燥、研磨得到高鎳三元前驅體；將高鎳三元前驅體與石蠟封裝的金屬鋰粉在真空攪拌裝置中混合均勻，然后送入雙階式螺桿擠出機，第一階螺桿擠出機熱剪切使鋰在180?200℃熔融分散在前驅體中；連續(xù)通過第二階螺桿，設置加氧泵、300℃高溫，前驅體以熔融的鋰為晶核快速生長成單晶雛形；進一步在富氧環(huán)境中，于隧道爐中在700?850℃燒結得到單晶高鎳三元材料。在剪切中分散并生長單晶，使得單晶粒徑分布均勻，有效的克服了二次顆粒易碎導致的不穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰電池領域，具體涉及一種穩(wěn)定制備單晶高鎳鋰電池三元材料的方法。

背景技術

鋰電池是一種以鋰金屬或鋰合金為負極材料，使用非水電解質溶液的一次電池，與可充電電池鋰離子電池跟鋰離子聚合物電池是不一樣的。鋰電池的發(fā)明者是愛迪生。由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。隨著二十世紀末微電子技術的發(fā)展，小型化的設備日益增多，對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規(guī)模的實用階段。鋰電池通常分兩大類：鋰金屬電池：鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。雖然鋰金屬電池的能量密度高，理論上能達到3860瓦/公斤。但是由于其性質不夠穩(wěn)定而且不能充電，所以無法作為反復使用的動力電池。而鋰離子電池由于 具有反復充電的能力，被作為主要的動力電池發(fā)展。但因為其配合不同的元素，組成的正極材料在各方面性能差異很大，導致業(yè)內(nèi)對正極材料路線的紛爭加大。通常我們說得最多的動力電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池（三元鎳鈷錳）。

鋰離子電池和傳統(tǒng)的蓄電池比較起來，不但能量更高，放電能力更強，循環(huán)壽命更長，而且其儲能效率能夠超過90%,以上特點決定了鋰離子電池在電動汽車、存儲電源等方面極具發(fā)展前景。決定鋰離子動力電池成本和性能的關鍵在于材料，鋰離子動力電池的材料決定了電動汽車的發(fā)展路線和運行模式。因此，突破鋰離子動力電池的瓶頸問題，關鍵在于材料問題的解決。

鎳鈷錳酸鋰三元材料是近年來開發(fā)的一類新型鋰離子電池正極材料，具有容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、成本適中等重要優(yōu)點。如果把鎳鈷錳酸鋰三元材料中的鎳含量提高可以獲得更高的能量密度，是一種極佳的動力汽車用電池。但是，高鎳三元材料由于制備時大顆粒和小顆粒中的鎳、鋰含量極不均勻，小顆粒含有更高的鎳和鋰，導致脫鋰嚴重，結構極易破壞。目前高鎳三元正極材料的形貌大多為一次顆粒團聚成，外觀為二次球形形貌。因此在后續(xù)極片加工和循環(huán)工作時，二次顆粒極易受形變影響破損，使得包覆處理失效，加劇了活性材料的不穩(wěn)定性，甚至加速了與電解液接觸溶解。由于高鎳三元材料在高電壓下工作，二次粒子的碎化分離現(xiàn)象，造成內(nèi)阻變大、電池容量衰減快、循環(huán)變差。為此，單晶型高電壓三元材料在鋰離子高效傳遞的同時，減小材料與電解液之間的溶解性，從而提高材料在高電壓下的循環(huán)性能。目前單晶型高電壓三元材料的獲得主要是利用共沉淀法制備出三元材料前驅體，然后在高溫固相的作用下，得到單晶。晶粒的生長受生長環(huán)境影響，缺陷較多，而且晶粒大小不易控制，工序控制復雜。

發(fā)明內(nèi)容

現(xiàn)有高鎳三元材料為二次顆粒，容易碎裂，致使包覆處理失效，加劇了活性材料的不穩(wěn)定性，甚至加速了與電解液接觸溶解。單晶三元是一種穩(wěn)定性較好的材料，但現(xiàn)有直接高溫固相燒結難以獲得晶粒大小均勻、晶體完整的高鎳三元，本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定制備單晶高鎳鋰電池三元材料的方法，通過雙階式螺桿，將鋰熔融分散與前驅體中并以此為晶核生長單晶三元材料，具有連續(xù)、生長快、工藝可控的特性；在剪切中分散并生長單晶，使得單晶粒徑分布均勻，防止過大或過小晶粒的生成。有效的克服了二次顆粒易碎導致的不穩(wěn)定性。

本發(fā)明涉及的具體技術方案如下：

一種穩(wěn)定制備單晶高鎳鋰電池三元材料的方法，包括以下步驟：