[發(fā)明專利]一種單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114197046A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷天起;李道聰;楊茂萍
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B7/14;C30B7/10;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所(普通合伙) 34115
• 代理人: 周靜

本發(fā)明公開了一種單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料及其制備方法和應(yīng)用，該單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料的制備方法包括以下步驟：將金屬鹽溶解在水中得到金屬鹽溶液，加入沉淀劑調(diào)節(jié)pH值后進(jìn)行結(jié)晶反應(yīng)，得到第一混合漿料；向第一混合漿料中加入氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)，得到第二混合漿料；分離第二混合漿料中的金屬復(fù)合羥基氧化物并烘干得到粉體物料；將粉體物料與可溶性鋰化合物、水混合后進(jìn)行離子交換反應(yīng)，得到第三混合漿料；分離第三混合漿料中的固體物料，最后進(jìn)行焙燒得到目標(biāo)產(chǎn)物，即單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料；該材料作為正極材料應(yīng)用在鋰電池中，能夠顯著提高鋰電池的容量，并改善電池的循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池由于其高容量、長壽命等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于動力、消費(fèi)電子、儲能等領(lǐng)域。正極材料作為最主要的組成之一，對鋰離子的性能起到關(guān)鍵作用，目前正極材料體系包括層狀結(jié)構(gòu)的鋰鈷復(fù)合氧化物、鋰鎳復(fù)合氧化物、鋰鎳鈷錳復(fù)合氧化物、尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰錳復(fù)合氧化物、鋰鎳錳復(fù)合氧化物，以及橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰材料等，其中鋰鎳鈷錳復(fù)合氧化物(NCM三元材料NCM)是目前應(yīng)用最為廣泛的正極材料之一。

常規(guī)的NCM正極材料通常是由一次顆粒堆積形成的二次球多晶顆粒，顆粒粒徑在5-20μm之間，其粒度分布、微觀形貌、振實(shí)、元素分布、BET等理化性能受三元前驅(qū)體材料影響較大，此外后續(xù)的燒結(jié)制度也可以對性能調(diào)變。二次球多晶顆粒由于存在大量的一次顆粒晶界，應(yīng)用于鋰離子電池正極材料時，在循環(huán)過程中由于鋰離子脫嵌引起的應(yīng)力積累容易發(fā)生開裂和破碎，增大了與電解液的接觸面積導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生，造成電池內(nèi)阻增加，使循環(huán)性能降低。

相比于多晶材料，NCM單晶三元材料由于不含大量晶界，減少了充放電過程引起的顆粒開裂破碎現(xiàn)象，可應(yīng)用于高電壓鋰電池體系，具有循環(huán)性能好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，目前正替代多晶材料而被更廣泛地研究并應(yīng)用于鋰電池正極材料。

NCM單晶材料通常由平均粒度小于4μm的小顆粒NCM三元前驅(qū)體混合鋰源燒結(jié)制得，焙燒所需的溫度高，燒結(jié)成品硬度較大，需要依靠后端的粉碎設(shè)備進(jìn)行分散，成品樣的粒度分布不均勻，并且可能導(dǎo)致大量的細(xì)粉產(chǎn)生，影響材料的循環(huán)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料及其制備方法和應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種單晶型含鋰金屬復(fù)合氧化物材料的制備方法，包括以下步驟：

結(jié)晶工序：將金屬鹽溶解在水中得到金屬鹽溶液，向金屬鹽溶液中加入沉淀劑調(diào)節(jié)其pH值為8～10.2，混合均勻后在非氧化性氣氛中進(jìn)行結(jié)晶反應(yīng)，得到含有金屬復(fù)合氫氧化物的第一混合漿料。所述沉淀劑為氨水、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液中的至少一種；所述結(jié)晶反應(yīng)的溫度為100～150℃，時間為0.5～15h；所述非氧化性氣氛中氧氣含量小于0.5vol/％；所述金屬鹽包括鎳鹽和錳鹽。優(yōu)選的，所述金屬鹽還包括鈷鹽；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述金屬鹽還包括鎂鹽、鋁鹽、鈦鹽、鋯鹽、鎢鹽、鑭鹽、鉬鹽、鈮鹽、釩鹽、鉻鹽中的至少一種。

氧化工序：向第一混合漿料中加入氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)，得到含有金屬復(fù)合羥基氧化物的第二混合漿料；優(yōu)選的，所述氧化劑為雙氧水、次氯酸鈉、過硫酸鈉、亞氯酸鈉、高氯酸鈉中的至少一種；第一混合漿料中金屬元素的總量與氧化劑的物質(zhì)量之比為1:1.2～1:2.7；所述氧化反應(yīng)的溫度為50～85℃，時間為0.2～6h。