[發明專利]一種三元前驅體及其制備方法及基于三元前驅體的鋰離子電池三元正極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201810283792.6
• 申請日: 2018-04-02
• 公開（公告）號: CN108550807A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 茍蕾;牟克亮;趙明娟;馬莉;王雪東;薛棟
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種三元前驅體及其制備方法及基于三元前驅體的鋰離子電池三元正極材料及其制備方法。三元前驅體制備方法包括在惰性氣氛下，將堿性溶液和配制好鎳鹽、鈷鹽和錳鹽的金屬鹽水溶液通入微通道反應器中進行共沉淀反應，經微通道反應器出口收集，得到三元前驅體；該方法流程簡單，極大縮短了反應時間，經制得的三元前驅體結構穩定；鋰離子電池三元正極材料的制備方法包括將鋰鹽與上述三元前驅體按照1:(1～1.20)摩爾比研磨均勻，在450～600℃預燒4～6h，再在700～1000℃煅燒10～25h，該方法簡單，縮短了反應時間，適于大規模生產；經制備的鋰離子電池三元正極材料的顆粒尺寸在60～300nm納米級。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池正極材料制備領域，特別涉及一種三元前驅體及其制備方法及基于三元前驅體的鋰離子電池三元正極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池正極材料是影響整個電池電化學性能、安全性、成本等的決定性因素。目前商業化應用最廣的鋰離子電池正極材料當屬LiCoO₂，但是它制備成本高、容量有限，性能指標不能滿足動力電池的應用需求。具有橄欖石型結構的LiFePO₄雖已在動力電池領域獲得應用，但其理論容量僅有175mAh/g，且電子導電率低，仍不能滿足人們對電動汽車動力電池一次充電續航500公里的要求。因此，正極材料的比容量已成為限制鋰離子電池能量密度提高的瓶頸。三元材料(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂)可以綜合利用Ni、Co和Mn電化學性能的互補性，展現出明顯的三元協同效應，引入Co，能有效抑制Li⁺和Ni²⁺的陽離子混排現象，穩定材料的結構，同時提高材料的導電性，但過高的Co濃度會導致 Li容量的減低；引入Ni，作為電子活躍物，能有效提高材料的電化學容量，提高材料的能量密度；引入Mn，可以有效降低材料的成本并提高材料的安全性，從而具有良好的熱穩定性、更高的比容量、廉價的制備成本等優點，被認為是最具最具商用價值的正極材料。

三元正極材料的制備方法主要有固相法、溶膠凝膠法、水熱法、噴霧熱解法和共沉淀法等，每一種制備方法均有其各自的優缺點。固相法合成法工藝簡單，但反應時間長、步驟較多，具有能耗大、鋰損失嚴重、難以控制化學計量比、易形成雜相和電化學性能不穩定等缺點；溶膠凝膠法混合均勻，產物純度高，能耗低，但是，溶膠凝膠法合成材料所需時間較長不適合工業化，原料昂貴且對人體健康有害。水熱法制備工藝簡單，晶粒尺寸可調，但合成材料所需時間較長，設備要求高，安全性能差且合成材料產量低。噴霧熱解法混合均勻，工序簡單，但制備的前驅體結晶度低，材料的性能較差。共沉淀法制備出的三元材料具有振實密度高、加工性能好的優點，但是制備組分均勻、工藝穩定和重現性是亟需解決的問題。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種三元前驅體及其制備方法及基于三元前驅體的鋰離子電池三元正極材料及其制備方法，該三元前驅體組分分布更加均勻，反應時間短；基于其的鋰離子電池三元正極材料產品粒度分布窄、粒度均勻、分散性好、重現性好，其制備方法流程簡單、大大縮短了反應時間，適于大規模生產。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種用于制備電池正極材料的三元前驅體的制備方法，包括：

在惰性氣氛下，將堿性溶液和由鎳鹽、鈷鹽和錳鹽配制的金屬鹽水溶液分別通入微通道反應器中，進行共沉淀反應，經微通道反應器出口收集，過濾、洗滌和干燥后得到三元前驅體。

優選的，堿性溶液和金屬鹽水溶液的摩爾比為1:(1～2)；其中堿性溶液的濃度為1～5mol/L，金屬鹽水溶液中金屬離子總濃度為0.25～2mol/L，鎳鹽、鈷鹽和錳鹽的摩爾比為(1～8):1:(1～2)。

優選的，堿性溶液的溶質為氫氧化鈉、碳酸鈉、氨水或碳酸氫鈉。