[發明專利]三元正極材料及其制備方法、鋰離子電池和電動汽車

在審

• 申請號: 201810987251.1
• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN110867575A
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 甘永青;李世彩;胡棟杰;江正福;魏昊
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 喬雪微;陳亞琴

本發明涉及三元正極材料領域，公開了一種三元正極材料及其制備方法、鋰離子電池和電動汽車。所述三元正極材料包括微米級的的LiNi_xCo_yMn_zO₂單晶粒結構，式中0.6<x<1，0<y≤0.2，0<z≤0.3，所述單晶顆粒結構包括中心區域和表層區域，所述中心區域各元素的摩爾比滿足Ni∶Co∶Mn＝x1∶y1∶z1，所述表層區域各元素的摩爾比滿足Ni∶Co∶Mn＝x2∶y2∶z2。本發明的正極材料中鎳元素在中心區域的含量大于表層區域的含量，在獲得高能量密度正極材料的同時，還能夠保持材料的穩定性能，進而提高電池的安全性能。

技術領域

本發明涉及三元正極材料領域，具體涉及一種三元正極材料及其制備方法、鋰離子電池和電動汽車。

背景技術

目前，市場應用最多的動力電池正極材料是由一次顆粒團聚成的二次球結構的三元鎳鈷錳(NCM)或鎳鈷鋁(NCA)材料。這種由一次顆粒團聚而成的二次球形貌的材料由于其本征結構強度低，在較高的壓實密度下二次球結構容易破碎，從而使內部顆粒裸露，與電解液接觸易發生副反應，從而導致過渡金屬的溶出造成循環衰減等諸多問題；此外，二次球結構的正極材料表面粗糙，在充放電過程中易造成充放電電流局部不均勻，從而出現電極材料局部過充或過放現象，使得動力電池組中的單體電池一致性變差，進而影響電池的循環壽命；再之，三元二次球正極材料，尤其是高鎳三元材料，其表面pH值偏高，不僅會使得混料的漿料容易膠體化，而且容易造成高溫脹氣或存儲脹氣等問題。

為解決上述技術問題，研究人員提出了合成制備單晶顆粒性能微米級單晶顆粒三元正極材料。該種單晶形貌的正極材料具有較高的結構強度，能夠有效提高正極極片的壓實密度；而且其比表面積較小，表面光滑，與電解液接觸面積小，有效控制較低副反應發生的數量；另外，單晶形貌的正極材料表面pH值較低，能夠有效解決脹氣等問題。然而，這種單晶形貌的正極材料仍然存在不足之處需要解決，如放電容量比二次球形貌正極材料低，倍率性能較差或工藝復雜等。

例如，現有技術CN106159251A公開一種類單晶鋰電池三元正極材料及其制備方法，所述正極材料的化學式為：LiNi_1-x-y-zCo_xMn_yM_zO₂，其中0＜x≤0.65，0＜y≤0.3，0≤z≤0.05，M為Mg、Ca、Ti、Zn、Cr、Fe、Zr、Co、Cu、Ru中的一種或多種；該正極材料的制備方法包括以下步驟：1)前驅體的合成；2)混料：混料過程中加入助熔劑；3)燒結等。該申請專利通過加入助熔劑的方式降低燒結類單晶三元正極材料的燒結溫度，但是在該專利申請中助熔劑燒結用量較低，難以實現降低類單晶燒結溫度的目的；另外，該專利申請中未能解決高鎳材料在高SOC下晶型結構不穩定，熱穩定性差的問題。

CN107311242A公開了一種鋰離子電池用大單晶層狀正極材料改進的制備方法，包括：首先將Co-Mn前驅體與鋰源混合，其中鋰元素與過渡金屬元素的摩爾比在0-1之間，高溫煅燒，此時由于鋰元素不足而形成尖晶石相，尖晶石相有助于一次晶粒的融合與生長，得到微米級尺寸較大的復合相一次晶粒或純相一次晶粒；然后向上述制備的一次晶粒中補充化學計量比的鋰源和鎳源，使得鎳元素與鈷錳元素的摩爾比Ni/Co/Mn＝(1-x-y)/x/y，鋰元素與過渡金屬元素的摩爾比Li/Ni-Co-Mn＝(1+z)/(1-z)～(1+z)/(1-z)+0.05，在高溫下煅燒中鋰離子和鎳離子的擴散引發固相反應，即得到鋰離子電池用大單晶層狀正極材料。但是該申請專利中通過燒結Co-Mn尖晶石后再進行補充鎳源和鋰源時，鎳元素較難均勻分布于大單晶材料中，從而循環穩定性、倍率性能較差。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的三元材料放電容量低，壓實密度低、高鎳材料熱穩定性差等問題，提供一種三元正極材料及其制備方法，在此基礎上，還提供一種鋰離子電池和電動汽車。