[發明專利]一種熔鹽法制備的鋰離子電池三元正極材料NCM811及其制備方法

在審

• 申請號: 202010052893.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111224089A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 饒先發;鐘盛文;樓軼韜;王江;張克;羅鈺東;程斌;李樺林
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強宏超

本發明公開一種熔鹽法制備的鋰離子電池三元正極材料NCM811及其制備方法，制備方法包括以下步驟：將鎳源、鈷源和錳源混合，得到混合物A；將鋰源和熔鹽混合，得到混合物B；將所得混合物A和混合物B混合，預處理后經梯度下焙燒反應，反應結束后冷卻，得到塊狀物體；塊狀物體進行研磨洗滌烘干處理，得到NCM811正極材料；本發明采用熔融鹽作為反應介質，通過調控反應溫度以及鎳鈷錳種類和用量，制得具有良好循環性能，及高倍率性能的NCM811正極材料，制得具有亞微米尺寸的NCM811正極材料，在保證材料晶粒完整性和均勻性的同時，可以滿足鋰離子的擴散要求；并且，本發明制備方法工藝簡單，生產成本低，節能高效。

技術領域

本發明屬于電池材料制備領域，涉及一種熔鹽法制備的鋰離子電池三元正極材料NCM811及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池的正極材料主要包括層狀的鈷酸鋰(LiCoO₂)、尖晶石的錳酸鋰(LiMn₂O₄)、橄欖石的磷酸亞鐵鋰(LiFePO₄)以及三元鎳鈷錳系(NCM)及鎳鈷鋁系(NCA)等。三元正極材料綜合了LiCoO₂的穩定性、LiMnO₂的低成本性以及LiNO₂的高容量性，具有比能量高、成本低、循環性低、安全性能好，毒性低等優點。

LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)目前已在動力和儲能兩大領域得到了基本的應用，但由于其陽離子混排嚴重，并且富鎳材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂在脫鋰狀態時結構容易發生改變，使容量降低。其應用仍受到了一定的限制，尤其是在動力領域。隨著動力電池對高安全性、高能量密度、高功率密度及長壽命的要求，對進一步改善LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂的各項性質就顯得格外重要。針對LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂用作鋰離子電池正極材料自身的缺陷，科研工作者們通常采用離子摻雜、制作為富鎳梯度材料以及碳包覆等手段來改善其電化學性能。

目前，LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料的制備方法很多，包括了噴霧熱解法、共沉淀法、溶膠凝膠法、水熱法和高溫固相法等，而如今工業化生產主要采用高溫固相法合成。該方法雖然工藝過程簡單，但固相化合物混合難以均一化，合成時間長，能耗大，效率低，顆粒大且已混入雜質，批次穩定性較差。

熔鹽法以其工藝簡單，反應時間短等特點正引起廣泛關注。合成這些含鋰正極材料，一般采用的是如LiCl、LiF、LiCO₃、LiOH或LiNO₃等鋰鹽，它們既作為溶劑又為目標產物提供鋰源。熔鹽的主要作用是在整個反應過程中充當“溶劑”和擴散介質的作用。反應原料一般在所選擇的鹽中有一定的溶解度，因此可以使反應物在液相中實現原子尺度的接觸；另外，反應物在熔鹽中具有更大的擴散速率，如熔鹽中的離子遷移速率為1×10^-5～1×10^-8cm²/s，而在固相中僅為1×10^-8cm²/s，這兩種效應可以實現在較短時間及較低溫度下發生反應。

杜科等人(杜柯，其魯，胡國榮，彭忠東.無機化學學報，2006(05):867-871)采用熔鹽法合成了循環性能優良的LiMn₂O₄，前100次的容量平均衰減率在0.05％左右；倍率性能亦非常優秀，8C放電時的容量為1C放電容量的93％以上。