[發明專利]鋰離子電池用三元正極材料微米單晶結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201811225861.4
• 申請日: 2018-10-21
• 公開（公告）號: CN111082042A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 閆東偉;趙宜男;吳志堅
• 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

本發明利用超重力技術能夠高效傳質和強化反應的特點，提供了一種利用超重力技術制備三元材料前驅體，進而制備鋰離子電池用三元正極材料微米級單晶結構的方法。本發明通過超重力反應器中的絲網狀填充料實現了金屬鹽溶液與沉淀劑的乳化；該填充料相當于一個微米的反應器，有利于生成顆粒細小的納米顆粒，納米顆粒在微米反應器內進一步組裝成微米顆粒。納米級的一次顆粒，在后續的煅燒過程中，會大幅降低煅燒溫度，易于形成大顆粒的單晶結構。利用本發明制備的三元正極材料，為微米級單晶結構，D50在3?6um之間，材料易于后續的電池加工，同時表現出優異的電化學性能。本發明所需設備體積小、能源效率高，且可大幅度提升產品品質，易于規模化工業生產。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池電極材料技術領域，涉及一種鋰離子電池用三元正極材料微米級單晶結構及其制備方法。

背景技術

鋰離子二次電池(以下簡稱：鋰離子電池)是20世紀90年代開發成功的新型高能電池，是在鋰二次電池基礎上發展起來的一種鋰離子嵌入式電池。與傳統的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池相比，它具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應等優點，目前已經廣泛應用于手機、筆記本電腦、攝像機等小型電子產品。相對于小型電子設備電源而言，大規模儲能設備以及電動汽車用電源對能量密度、功率密度、安全性、壽命、成本等有著更高的要求。隨著鋰離子電池新材料和新結構的不斷發展，電池的安全性和循環壽命不斷提高，成本越來越低，鋰離子電池勢必成為首選的高能動力電池和能源儲存設備。

作為鋰離子電池的最重要組成部分，正極材料在電池充放電過程中不僅要提供在正負極嵌鋰化合物間反復嵌入/脫出所需要的鋰，而且還要負擔在負極材料表面形成固體電解質相界面膜所需要的鋰。因此,正極材料成為鋰離子電池的關鍵原材料，也是鋰離子電池成本占比最大的材料。其中，層狀鋰鎳鈷錳氧正極材料(以下簡稱“三元材料”或“NCM”)因較好地兼備了鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰的優點，三元協同效應使其綜合性能優于任一單組份化合物，使其具有高比容量、循環性能穩定、成本相對較低、安全性能較好等優點，是動力鋰離子電池的理想正極材料，也被認為是最好的、能取代LiCoO₂的正極材料。因此，近年來，該系列材料引起了產業界和學術界的極大興趣，也成為各路資本爭向追逐的市場寵兒。

現階段國內外生產廠家生產的三元正極材料都為細小一次晶粒組成的二次微米球形顆粒，一次晶粒間存在著間隙。電極輥壓過程中，二次球形顆粒會發生破碎，破碎的顆粒間也存在著間隙，這兩個方面是導致材料的壓實密度較小。此外，細小的晶粒使得活性物質材料與電解液接觸面積較大，材料界面結構容易遭受到電解液的腐蝕和破壞，進而導致過渡金屬Ni、Co、Mn在電解液中的溶解，造成電池容量的衰減。

針對上述問題，研究發現，通過把三元正極材料制備成微米或亞微米單晶顆粒，可以提高材料的壓實密度，減少顆粒與電解液的接觸面積，從而減少副反應的發生，提高材料的電化學性能。因此，開發三元正極材料微米級單晶是目前鋰電正極材料研究和生產中的熱點和難點之一。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明提供了一種三元正極材料微米級單晶結構及其制備方法。

為實現上述目的，本申請的發明人對三元正極材料的合成工藝進行了多年深入研究，經多種嘗試后發現，前驅體的一次顆粒大小和團聚形貌結構對制備三元正極材料微米單晶結構的工藝起著重大影響：組成前驅體的一次顆粒越小，制備微米單晶工藝越簡單，越容易制備成微米級單晶結構。