[發明專利]一種單晶鎳鈷鋁酸鋰正極材料的制備及摻雜改性方法

在審

• 申請號: 202010438705.7
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111646520A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 崔孝玲;周心安;李世友;李春雷;梁文彪;王超;傅小蘭;東紅;王博
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00;H01M4/485;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 董斌

一種單晶鎳鈷鋁酸鋰正極材料的制備及摻雜改性方法，其步驟為：（1）在N₂保護氣體中，將可溶性鎳鹽、鈷鹽、鋁鹽、氫氧化鈉和氨水混合液在反應釜中進行恒溫共沉淀反應，對釜液經陳化、固液分離、過濾、洗滌、干燥得到鎳鈷鋁酸鋰三元前驅體；（2）前驅體經預燒處理后，加入助熔劑和鋰源進行一段煅燒；（3）一段煅燒結束后，再加入氟源進行二段煅燒，對單晶材料進行摻雜改性；（4）球磨破碎后，經洗滌，再燒結，最終得到摻雜改性的單晶鎳鈷鋁酸鋰三元正極材料。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術，具體涉及單晶鎳鈷鋁酸鋰正極材料的制備技術。

背景技術

鋰離子電池由于使用壽命長、記憶效應小、能量密度高、自放電程度小和環保等優勢，已成為移動和無線電子設備、電動工具、混合動力和電動交通工具（如電動汽車和電動混合汽車）的熱門選擇。近年來，隨著電動汽車產業的興起，對于鋰離子電池的能量密度和循環壽命提出了更高的要求。鎳鈷鋁酸鋰（NCA）正極材料因具有較高的比能量，較好的比功率和良好的循環壽命成為研究的熱點。

目前，松下和特斯拉聯合推出的NCA電池已經成功應用于電動汽車，但是在安全性和壽命上還需要進一步提高。單晶NCA正極材料因具有良好的結構穩定性和熱穩定性以及更高的壓實密度，可以有效提高NCA材料的安全性能和使用壽命。此外，陰離子摻雜取代材料中的氧，可以使材料的結晶度更好，從而進一步增加材料的穩定性。

中國專利CN 110620234 A一種高電位鋰離子電池NCA三元正極材料及其制備方法，用于克服鋰離子電池正極材料高鎳NCA及其衍生品電化學循環性能差的缺點，特別是在高截止電壓條件下循環性能極差的不足。但該工藝所制備的多晶材料相比于單晶材料在充放電循環中很容易產生裂紋甚至使二次顆粒破碎，導致材料副反應嚴重，電池容量衰減，且容易帶來安全問題。Journal ofThe Electrochemical Society雜志2019年第166期1956-1963頁報道了一種兩步鋰化法合成單晶LiNi_0.88Co_0.09Al_0.03O₂，該方法只通過固相燒結的方法制備單晶NCA，最終制備的材料分散性差，單晶化程度不高，電化學性能不佳，很難進行產業化。

發明內容

本發明的目的是提高NCA正極材料的使用壽命和安全性能，提供一種工藝較為簡單的單晶鎳鈷鋁酸鋰正極材料的制備及陰離子摻雜改性的方法。

本發明是一種單晶鎳鈷鋁酸鋰材料制備及摻雜改性的方法，單晶型LiNi_xCo_yAl_1-x-yF_zO_2-z正極材料，式中0.7x0.9，0.1y0.2，0.05z0.15，具體包括如下步驟：

步驟（1）將鎳和鈷的硫酸鹽按Ni:Co化學計量比=x:y配置成硫酸鹽溶液，偏鋁酸鈉按Co:Al化學計量比=y:1-x-y配置成含氨水的偏鋁酸鈉溶液，0.5 mol/L氨水溶液作為反應釜底液；

步驟（2）開啟攪拌調節轉速300-600 rpm，當反應釜溫度達到50-60 ℃時，在N₂氣氛下將硫酸鹽溶液和偏鋁酸鈉溶液經計量泵注入含有氨水作為底液的反應釜內；與此同時，將10 mol/L NaOH溶液加入反應釜內，控制釜內pH=10-11.5；進料結束后，在保持N₂氣氛和攪拌狀態下陳化10-20 h；

步驟（3）反應結束后的釜液經靜置分層得到Ni_xCo_yAl_1-x-y(OH)₂前驅體，前驅體用去離子水進行過濾、洗滌；濾餅在真空干燥箱中，110 ℃干燥12 h；