[發明專利]鈷鎳系鋰離子電池正極材料及其制法和應用

有效

• 申請號: 201910075600.7
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109860551B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 趙孝連;曾國城;張建民;閔婷婷;農廷峰
• 申請（專利權）人: 貴州高點科技有限公司;高點（深圳）科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 北京格旭知識產權代理事務所(普通合伙) 11443
• 代理人: 雒純丹

本發明涉及一種鈷鎳系鋰離子電池正極材料及其制法和應用，所述正極材料的化學通式為：Li_xCo_aNi_bR_(1?a?b)O₂，其中：R為摻雜元素，R選自Mn、Y、Mg和/或Al，0.9≤x≤1.1，0.55≤a≤0.9，0.05≤b≤0.4，0.7≤a+b≤1；其中，所述正極材料的平均長徑比為1.5?3.0。其制備方法包括下述步驟：將含有鋰源化合物、鈷源化合物、鎳源化合物和根據需要加入的摻雜元素化合物的原料按計量比進行混料，然后加入酸性物質與溶劑組成的混合液進一步混合，經干燥、燒結得到所述正極材料。本發明省去了傳統前驅體沉淀制備工序，制備的鈷鎳系正極材料中鋰元素和摻雜元素擴散均勻，提升了鋰離子電池的能量密度、電化學性能和安全性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，主要涉及鋰離子電池用正極材料領域，具體涉及一種鈷鎳系鋰離子電池正極材料及其制法和應用。

背景技術

隨著信息時代對電池新材料需求的增加，以及手機、筆記本電腦、數碼相機、攝像機等電子產品和電動汽車、電動工具等能源動力產品對新型、高效、環保電池的強勁需求，鋰離子電池材料市場不斷擴大。正極材料作為鋰電池重要的組成部分，其性能的好壞直接影響電池的各項性能，目前常見的鋰離子電池正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰。其中鈷酸鋰因鈷儲存量有限及安全性原因主要用于3C小型鋰離子電池領域，錳酸鋰及磷酸亞鐵鋰材料能量密度較低，有逐漸被鎳鈷錳酸鋰等含鈷低的含鎳材料替代的趨勢。

鈷鎳二元及鈷鎳錳三元材料(統稱為鎳鈷或者鈷鎳系正極材料)通常為層狀巖鹽結構材料，鎳和錳元素的含量可高可低，且錳可以被鎳完全取代。其中，鈷(Co)是正極材料的主要結構元素之一，鈷及鈷化合物電導率高，因此能提高材料的放電容量和高倍率放電性能。鎳(Ni)也是材料的主要活性物質之一，可提高材料的容量，但Ni價態多變，在循環過程中容量損失大。錳(Mn)良好的電化學惰性，能使材料始終保持穩定的結構。

鎳鈷系正極材料的性能與制備方法密切相關，其制備方法很多，如高溫固相法、共沉淀法、溶膠凝膠法、噴霧熱解法等。高溫固相法是目前制備正極材料常用的一種方法，將原料直接以固態形式進行混合，在高溫合成。高溫固相法工藝簡單，適合規模化生產，但很難保證混料均勻，造成產品批次一致性差、電化學性能不穩定；共沉淀法是把化學原料以溶液狀態混合，并向溶液中加入適當的沉淀劑，使溶液中已經混合均勻的各個組分按化學計量比共沉淀出來，或者在溶液中先反應沉淀出一種中間產物，再經過煅燒制備出正極材料。共沉淀法可對鈷鎳系前驅體的形貌和粒度進行控制，有利于與鋰源高溫固相合成后得到形貌、粒徑、密度穩定的材料，是目前制備鎳鈷系正極材料最主要的方法，但在生產過程中采用常規多步驟燒結工序能耗高，而且在將鋰源和鎳鈷氫氧化物前驅體混合焙燒過程中，由于鋰源同樣也是一種宏觀顆粒物，在擴散過程中鋰源與前驅物的接觸面積及分布不均勻有可能會造成材料表面局部鋰源的不均勻，引起游離鋰含量高，同樣在進行表面摻雜包覆過程中摻雜元素要滲透/擴散到正極材料表面及體相中也存在相同的問題，為此需要設法解決鋰源、摻雜元素在前驅體材料表面的分布和擴散問題；溶膠凝膠法工藝復雜、成本較高，產品的形貌和粒徑不易控制；噴霧熱解法目前僅限于實驗研究，未能實現工業化。

發明內容

現有技術存在的問題是:現有的鈷鎳系正極材料制備過程中，高溫固相法制備的正極材料由于很難保證混料均勻，造成產品批次一致性差、電化學性能不穩定，共沉淀法制備的正極材料存在鋰源和摻雜元素擴散不均勻的問題，游離鋰含量高，并且在生產過程中制備前驅體的燒結工序能耗高，制備出的鋰離子電池安全性差。