[發(fā)明專利]一種高容量長循環(huán)的低鈷單晶正極材料及其制備方法

在審

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• 申請日: 2022-11-23
• 公開（公告）號: CN116130618A
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設計）人: 趙小康;羅桂;譚欣欣
• 申請（專利權）人: 巴斯夫杉杉電池材料有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62
• 代理公司: 長沙朕揚知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 郭蓓霏

本發(fā)明屬于鋰電池正極材料領域，公開了一種高容量長循環(huán)的低鈷單晶正極材料，將其顆粒內(nèi)部從外至內(nèi)劃分為第一、第二兩個區(qū)域，第一、第二區(qū)域的鈷濃度從外向內(nèi)分別以每100nm降低6％～20％、0.1％～6％的速率呈梯度分布。該設計能顯著提高首次充/放容量和倍率性能，并且可明顯改善高溫循環(huán)。還公開了該低鈷單晶正極材料的制備方法，工序簡單，成本較低，通過合適的高鎳低鈷小顆粒前驅體選擇，結合元素摻雜包覆改性與干法燒結工藝，對低鈷單晶正極材料的粒度形貌與結構進行調(diào)控，對晶體結構與表面進行修飾，形成了從外至內(nèi)的兩階遞減鈷濃度梯度分布，改善了高鎳低鈷正極材料高殘鋰，功率及循環(huán)性能差、安全性能差的共性問題。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰電池正極材料技術領域，尤其涉及一種高容量長循環(huán)的低鈷單晶正極材料及其制備方法。

背景技術

為了滿足新能源汽車市場對續(xù)航里程日益增長的需求，高能量密度性能的競爭隨之加大，高能量鋰離子電池得到了極大的發(fā)展。在能量密度的競速下，三元正極材料的發(fā)展趨于高鎳化、高電壓化，同時也面臨著循環(huán)壽命差、安全等風險與挑戰(zhàn)。近年來，原材料資源的價格漲幅較大，作為三元正極材料的終極目標，高鎳低鈷正極材料有著極大的能量密度及成本優(yōu)勢，但同時也存在著高殘鋰、倍率及循環(huán)性能差的共性問題。

因此，針對高鎳低鈷正極材料進行改性開發(fā)，解決其容量低、循環(huán)壽命差、安全等風險問題勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種高容量長循環(huán)的低鈷單晶正極材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：

一種高容量長循環(huán)的低鈷單晶正極材料，所述低鈷單晶正極材料的顆粒通過EPMA分析，離顆粒表面的距離為25nm至425nm的區(qū)域為第一區(qū)域，離顆粒表面的距離為425nm至顆粒中心的區(qū)域為第二區(qū)域；

所述第一區(qū)域的鈷濃度從外向內(nèi)以每100nm降低6％～20％的速率呈梯度分布；

所述第二區(qū)域的鈷濃度從外向內(nèi)以每100nm降低0.1％～6％的速率呈梯度分布。

本發(fā)明的低鈷單晶正極材料，通過EPMA元素定量分析，所述顆粒的內(nèi)部鈷濃度從外至內(nèi)呈兩階遞減梯度分布。充分利用鈷對鋰離子擴散速率的促進作用，從表面至內(nèi)部設有兩個不同鈷濃度梯度的區(qū)域，且內(nèi)部區(qū)域的鈷濃度梯度小于外部區(qū)域的鈷濃度梯度，在形成由外到內(nèi)高嵌鋰態(tài)的鋰層通道及鋰濃度梯度效應情況下，通過高濃度鈷梯度的第一區(qū)域，極大的促進鋰離子進入晶格及擴散至內(nèi)部，緩解高鎳低鈷材料H2-H3不可逆相變，同時緩解了晶體內(nèi)部由于高嵌鋰態(tài)帶來的高極化阻抗；通過低濃度鈷梯度的第二區(qū)域，由于晶體內(nèi)部中心鋰層低鋰濃度，并且鋰離子擴散路徑較長，鋰層通道減少，鈷對鋰離子擴散速率的促進效果隨鋰濃度逐漸降低，結合第二區(qū)域鋰離子低濃度梯度，設計低鈷濃度梯度高鎳組分的第二區(qū)域，進一步提升鋰離子嵌入速度及氧化還原反應，緩解高鎳低鈷材料H1-M不可逆相變，進一步緩解了晶體內(nèi)部由于高嵌鋰態(tài)帶來的高極化阻抗，提高低電壓的容量發(fā)揮，從而發(fā)揮出更高的容量，并且極高效的發(fā)揮了鈷的增益效果，提高容量的同時降低了低鈷材料的綜合成本。這種兩階鈷濃度梯度的設計，充分結合了鋰層通道及鋰濃度梯度效應，極大提高了放電過程中鋰離子嵌入速度，極為適合在低鈷單晶材料中運用，能改善低鈷單晶材料由于擴散路徑長擴散速度慢帶來的高極化阻抗，緩解高鎳低鈷材料H1-M及H2-H3不可逆相變，并減少循環(huán)過程中的功率損失，提高材料的循環(huán)性能，此外，兩階鈷濃度梯度設計可充分高效利用鈷的增益效果，具備較高的綜合成本優(yōu)勢。