[發明專利]一種無鈷富鋰錳基正極材料及鋰離子電池

在審

• 申請號: 202011120181.3
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112456565A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 武建飛;宋德朋;趙晴
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00;H01M4/131;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525
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本發明屬于鋰離子電池技術領域，公開了一種無鈷富鋰錳基正極材料及鋰離子電池。所述鋰離子電池，包括無鈷富鋰錳基正極材料和高性能電解液。與其他技術相比，本發明提供的無鈷富鋰錳基正極材料，實現真正意義上的無鈷化，其制備工藝簡單并且容易工業化，制備的鋰離子電池具有循環穩定性好、倍率性能高以及循環過程中電壓衰降低的優點，具有很大的商業化前途和應用價值。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體地為一種無鈷富鋰錳基正極材料及鋰離子電池。

背景技術

作為動力電池正極材料中的重要元素之一，鈷不但可以抑制充放電過程中的相變，提高材料的結構穩定性，而且可以提高材料的循環和倍率性能。然而，鈷為不可再生金屬，資源量稀缺，全球鈷儲量的迅速減少也加劇了鈷供應的限制，并且鈷的價格由于需求的增加而增長，這對電池行業的低成本和可持續目標是一個挑戰，這一限制將逐漸開始威脅電動汽車市場的未來，因此開發鈷含量較低的正極材料至關重要。如何讓動力電池容量更高、安全更有保障、材料價格更便宜，低鈷甚至無鈷已經成了電池發展的趨勢。

無鈷電池正是基于這一現實情況而誕生。目前，市場上的純電動汽車所采用的電池可以統稱為“有鈷電池”，主要為三元鋰電池。如果將電池中鈷成分降低甚至取消，電動車將會更具性價比。無鈷電池是在鋰電池的基礎上改進，實現鋰電池的少鈷、無鈷化，是一條能夠很快獲得成果的技術路線。開發新的無鈷具有成本效益的正極材料，考慮的重點是這些材料應該有類似或更好的電化學特性。目前大多數電池行業使用的NMC和NCA正極，將不是實現這些目標的最佳選擇。

要做到真正無鈷，就必須要解決無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排以及循環壽命問題。為了實現無鈷的技術瓶頸，目前主要的關鍵技術，分別是陽離子摻雜技術、單晶技術和納米網絡化包覆等，來提高材料的穩定性。富鋰錳基正極材料因高的比容量，而備受關注，但是已報道的富鋰錳基正極材料穩定性低、循環性差，阻礙了其進一步應用，不具備商業應用價值。并且沒有一種合適的體系與之搭配，加上無鈷材料還屬于新型材料，無鈷富鋰正極材料面臨更多的問題。CN201911370066的專利涉及到的鎳錳酸鋰正極材料，用到包覆技術，而且并不是嚴格意義上的去鈷材料化。CN2020100854679.8的專利，用Al代替Ni合成鎳鋁酸鋰正極材料無鈷三元正極材料，但是容量和穩定性不高。CN202010054733.9和CN202010054735.8的專利均用了不同的包覆劑對無鈷正極進行包覆，一定程度上提高了循環穩定性，但是制備麻煩，而且容量不高。專利CN202010365372.X的專利，合成了無鈷富鋰正極材料，只是在溫和的測試條件下提高了一定的循環穩定性。鑒于這些問題，開發一種高容量和循環性能好的無鈷富鋰正極材料體系至關重要。

本發明旨在提供一種無鈷富鋰錳基正極材料及鋰離子電池。以解決現有無鈷正極材料比容量低、循環性能差、沒有合適的電解液體系的問題。與其他技術相比，本發明提供的無鈷富鋰錳基正極材料，能夠實現真正意義上的無鈷化，其制備工藝簡單并且容易工業化，制備的鋰離子電池具有循環穩定性好、倍率性能高以及循環過程中電壓衰降低的優點，具有很大的商業化前途和應用價值。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是為了克服現有技術存在的問題，提供一種無鈷富鋰錳基正極材料及鋰離子電池。為了實現上述目的，本發明一方面提供一種無鈷富鋰錳基正極材料，其前驅體采用共沉淀法合成；

(1)在攪拌條件下將計量比的Ni和Mn的硫酸鹽溶解于一定量的去離子水中，用蠕動泵以一定速度連續加入到加有NH4HCO3溶液的反應釜中，同時，Na2CO3和氨水的混合溶液也以一定速度滴入反應釜中，通過控制三者的滴速來調節反應釜內的pH環境值，進行共沉淀反應，反應結束后將得到的反應液經過抽濾、洗滌、干燥后，制得青綠色固體前驅體；

(2)將得到的前驅體材料和鋰鹽混合均勻后進行煅燒，以 3℃每分鐘速度升溫至500℃，保溫 5h，然后再以 4℃每分鐘速度升溫到 900℃煅燒 12h，得到無鈷富鋰錳基正極材料。