[發(fā)明專利]三元正極材料及其制備方法、鋰電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011502737.5
• 申請(qǐng)日: 2020-12-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112635752B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王瀟晗;范鑫銘;陳志勇;蔡偉平;駱偉光
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東微電新能源有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/505
• 分類號(hào): H01M4/505;H01M4/525;H01M10/052;H01M10/0525;C01G53/00;C30B1/02;C30B29/22
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 梁睦宇

本發(fā)明涉及一種三元正極材料，該三元正極材料為單晶型高鎳三元正極材料，其化學(xué)式為L(zhǎng)iaNi_xCo_yMn_zO2，單晶型高鎳三元正極材料同時(shí)滿足：累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10％時(shí)所對(duì)應(yīng)的一次粒徑D10不小于4.1μm、平均一次粒徑D50不小于9.5μm、累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到90％時(shí)所對(duì)應(yīng)的一次粒徑D90不小于17.5um。本發(fā)明還涉及一種制備上述三元正極材料的方法，包括如下步驟：通過(guò)球磨NiO，MnO和Co₃O₄粉末制得單相巖鹽三元前驅(qū)體，亞微米級(jí)的單相巖鹽三元前驅(qū)體為固溶體；將單相巖鹽三元前驅(qū)體在混合熔鹽中高溫煅燒，混合熔鹽包括Li化合物與無(wú)機(jī)鹽。本發(fā)明還涉及一種鋰電池，該鋰電池包含上述三元正極材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池材料領(lǐng)域，特別是涉及一種三元正極材料及其制備方法和使用該三元正極材料的鋰電池。

背景技術(shù)

鋰離子二次電池已經(jīng)在消費(fèi)電子、電動(dòng)車、通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，適用于電動(dòng)車輛的鋰離子二次電池被要求為高功率及高容量。而電池正極材料是鋰離子二次電池的核心部分，直接決定了鋰離子二次電池的能量密度、功率密度、安全性指標(biāo)以及成本。作為電池正極材料的層狀復(fù)合氧化物的鋰鈷系復(fù)合氧化物能夠得到4V級(jí)的高電壓，并且具有高能量密度，但是，由于作為其原料的鈷的資源匱乏且昂貴，因此需要開(kāi)發(fā)鈷的含有比率少的復(fù)合氧化物，而層狀結(jié)構(gòu)高鎳低鈷三元正極材料(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，x≥0.6)能夠提供高能量密度和功率密度。

當(dāng)前制約層狀結(jié)構(gòu)高鎳低鈷三元正極材料廣泛使用的原因在于其微觀結(jié)構(gòu)和形貌。現(xiàn)有的技術(shù)方案所制備出的三元材料微觀形貌是由納米級(jí)一次顆粒團(tuán)聚和燒結(jié)而形成的二次類球形多晶顆粒，這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了以下技術(shù)問(wèn)題：1.二次球結(jié)構(gòu)的骨架牢固性較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高壓實(shí)密度(低于同為層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰正極材料)。在較高壓實(shí)密度的條件下，二次球結(jié)構(gòu)很容易破碎，暴露內(nèi)部顆粒和更多的內(nèi)表面積，導(dǎo)致材料在充電到高電壓狀態(tài)下與電解液反應(yīng)嚴(yán)重，金屬離子溶出加劇，性能衰減加速，同時(shí)產(chǎn)氣嚴(yán)重，形成較大的安全隱患；2.組成二次球的一次納米小顆粒在充放電過(guò)程中由于彼此之間各向異性的體積變化，容易發(fā)生界面粉化甚至開(kāi)裂，導(dǎo)致二次球結(jié)構(gòu)坍塌，引發(fā)更多副反應(yīng)和電化學(xué)性能衰減；3.高鎳三元材料(鎳含量≥60％)表面反應(yīng)活性很強(qiáng)，一般需要表面改性和包覆處理。二次球的結(jié)構(gòu)和形貌導(dǎo)致包覆困難，特別是內(nèi)部顆粒無(wú)法包覆。一旦二次球結(jié)構(gòu)由于機(jī)械或者電化學(xué)原因發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，暴露出的內(nèi)部顆粒與電解液之間會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的副反應(yīng)，導(dǎo)致性能衰減。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)有的技術(shù)方案是將三元正極材料做成單晶大尺寸顆粒。單晶三元材料與多晶二次球三元材料相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：1.機(jī)械強(qiáng)度較高，可以實(shí)現(xiàn)高壓實(shí)密度(3.7g/cm³以上)。高的壓實(shí)密度有利于減小電極內(nèi)阻，降低歐姆極化，增大電池的體積能量密度；2.一次單晶顆粒的比表面積較小，有效地降低了與電解液的副反應(yīng)，抑制了產(chǎn)氣，安全性高；3.一次單晶顆粒整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，電池壽命長(zhǎng)；4.單晶顆粒表面光滑，利于與導(dǎo)電碳材料充分接觸和包覆處理；5.單晶結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子在材料內(nèi)部傳輸(多晶二次球顆粒中一次顆粒之間不是晶界，通常有較小的空隙，鋰離子無(wú)法通過(guò))。但該技術(shù)方案只適用于某些低鎳三元材料(例如LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂和LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂)，而不適用于層狀結(jié)構(gòu)高鎳低鈷三元正極材料(LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，x≥0.6)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種三元正極材料及其制備方法，該三元正極材料為單晶型高鎳三元正極材料。