[發明專利]陽離子摻雜梯度高鎳多元材料前驅體及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201811225812.0
• 申請日: 2018-10-21
• 公開（公告）號: CN109301240A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 閆東偉;吳志堅;趙宜男;谷豐宏
• 申請（專利權）人: 圣戈萊（北京）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

本發明公開了一種陽離子摻雜梯度高鎳多元材料前驅體及其制備方法和應用。利用程序自動控制系統，結合特殊設計的U型反應器，通過控制原料成分的配比以及制備工藝，可控制備出微觀形貌呈微米球狀結構的高鎳多元材料前驅體，該前驅體包括內核以及依附于內核的多層外殼部分。由該前驅體制備的正極材料，材料的組分和結構呈連續梯度變化，材料內部沒有明顯的界面。該正極材料的內核部分的鎳含量較高，因此可以有很高的比容量，而外殼部分的材料組成具有更加穩定結構和電化學性能，摻雜的成分還可以提高材料導電性能及電池倍率性能，從而獲得綜合性能優異的梯度材料。本發明制備方法可操作性強，易于控制，可用于規模化工業生產。

技術領域

本發明屬于鋰離子二次電池正極材料制備領域，特別涉及一種梯度高鎳多元材料前驅體及其制備方法和應用。

背景技術

作為新型綠色能源，鋰離子二次電池(以下簡稱“鋰離子電池”)已經廣泛應用于消費類電子產品、電動汽車以及各種儲能電源系統中。行業的迅猛發展，導致對鋰離子電池的要求日益提高：提高能量密度和功率密度，延長使用壽命，提高安全性能及降低成本。鋰離子電池的性能很大程度上由正極材料決定，所以，開發出高性能、安全性高、低成本的正極材料是鋰離子電池性能進一步發展的機遇和巨大挑戰。

層狀鋰鎳鈷錳氧正極材料(分子式：LiNi_xCo_yMn_zO₂，1/3≤x<1，0<y≤1/3，0≤z≤0.4，x+y+z＝1；以下簡稱“多元材料”)較好地兼備了鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰等正極材料的優點，多元協同效應使其綜合性能優于任一單組份化合物，具有高比容量、循環性能穩定、成本相對較低、安全性能較好等優點；尤其是高鎳多元材料(x≥0.6)，因為具有更高的比容量而被認為最有前途的鋰離子電池正極材料之一。

高鎳多元材料盡管有較高的比容量，但其缺點也較為突出：(1)由于鎳含量較高，導致高鎳多元材料的熱穩定性較差、安全性能較低；(2)由于Ni²⁺半徑與Li⁺半徑相近，Ni²⁺與Li⁺相互占據，產生陽離子混排現象的發生,這種結構的無序狀態直接導致多元材料的倍率性能和循環性能變成差。(3)高鎳多元材料的表面pH較高，容易吸水，加工過程中對環境的濕度有較高的要求，極大地加大了電芯工藝加工難度以及設備投入成本。

針對這一問題，人們提出了梯度高鎳多元材料的概念，即在高鎳多元材料的微米顆粒中，從表面到內核，逐步提高鎳的含量，降低錳和鈷的含量，從而到達提高高鎳多元材料電化學性能、安全性能及加工性能的目的。但由于梯度結構高鎳多元材料的合成過程較復雜、效率較低，對配套設備的要求較高等問題，從而嚴重阻礙了它的產業化進程。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種陽離子摻雜、組份呈梯度連續變化的高鎳多元材料前驅體及其制備方法，以及其在制備鋰離子電池正極材料中的應用。由該前驅體制備的鋰離子正極材料與現有技術相比具有更高的放電比容量、更好的循環穩定性及安全性能。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：