[發明專利]高功率鋰離子電池正極材料

在審

• 申請號: 201980094484.1
• 申請日: 2019-03-22
• 公開（公告）號: CN113614954A
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 邵敏華;李嘉棟
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 馬叢

提供了一種用于二次電池的高功率正極材料及其制備方法。高功率正極材料可包含由片狀一次粒子形成的多孔結構的二次粒子。高功率正極材料可具有由以下化學式表示的組成：LiMO₂，其中M表示至少一種金屬元素，其在完全不帶電狀態下的平均氧化態為2至3，或在完全帶電狀態下的平均氧化態為3至4。具有片狀一次粒子的前驅體可通過以下步驟制備：將沉淀劑、絡合劑和金屬化合物混合；控制前驅體溶液的至少一個第一條件以使前驅體溶液成核以生成核；以及在攪拌條件下將前驅體溶液遞增地添加到反應器的基礎溶液中以進行反應，同時將反應條件調節至第一條件，以使前驅體溶液成核以生成核；然后將反應條件調節至第二條件，同時將前驅體溶液遞增地添加到基礎溶液中，以使核生長形成具有片狀一次粒子的前驅體。此外，多孔結構的正極材料可通過將前驅體與鋰源混合并在預定操作條件下燒結該混合物來制備。

背景技術

自20世紀90年代鈷酸鋰/石墨電池成功商業化以來，鋰離子電池(LIB)已成為便攜式設備的主要能源。層狀正極材料(Li[Ni_1-x-yMn_xCo_y]O₂，NMC)由于其低成本和高理論容量而受到電池制造商的廣泛關注。

然而，傳統正極材料在高倍率下的能量輸出非常有限，這主要是由于NMC材料的一次和二次粒子尺寸較大。相對于0.1C下的比容量，5C下的保留率低于75％，這使得NMC無法用于電動汽車、電動工具和無人駕駛飛行器等大功率應用。

幾種NMC基正極材料已在這個領域被廣泛研究。在美國專利申請號為13/626212和美國專利申請號為13/334617的專利中，混合的成孔材料和過渡金屬鹽被煅燒和粉碎以形成原始過渡金屬顆粒，然后進行球形加工處理和產品分離分類。盡管如此，由于制造過程中大量的材料浪費，這種設計增加了成本。在其他一些研究中，選擇了正極材料晶體的面(例如，010)進行快速鋰脫出/嵌入。然而，這些材料的尺寸小于1微米，導致能量密度顯著降低。

此外，在某些先前提出的研究中，多孔LNMC通過共沉淀法獲得，其中將聚苯乙烯珠(PSB)分散在反應器中，并將十六烷基三甲基溴化銨用作表面活性劑。然后，PSB氫氧化物前驅體在PSB種子周圍生長。在燒制前驅體后，PSB內部被分解以獲得多孔(PSB-NCM)正極材料。雖然通過這種方法可以產生內部氣孔，但燃料電池的倍率性能的提高是微不足道的。

發明內容

本領域仍然需要改進的用于以高倍率輸出能量的二次電池的高功率正極材料的設計和技術。

本發明的實施方案涉及一種高功率正極材料，其包含由具有片狀一次粒子的前驅體形成的多孔結構的二次粒子。

根據本發明的一個實施方案，用于LIB的正極材料可包含具有多孔結構的多個二次粒子，每個二次粒子包含多個片狀一次粒子。正極材料可具有由以下化學式表示的組成：LiMO₂，其中M表示至少一種金屬元素，其在完全不帶電狀態下的平均氧化態為2-3，或在完全帶電狀態下的平均氧化態為3-4。化學式中的M可表示選自以下中的至少一種元素：Ni、Co和Mn。正極材料還可以包含選自以下中的至少一種元素：Mg、Al、Cu、Cr、W、Y、La、Nb、Zr、Ta、V、Sr、Ca、Ga、Nd、Sr、Ti、Sn、B、F和Si。此外，正極材料的多個二次粒子的孔隙率可為約20％至約80％，且粒徑可為約1μm至約30μm。此外，正極材料的多個一次粒子的粒徑可以為100nm至5μm。