[發明專利]高倍率小粒徑單晶正極材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202211480552.8
• 申請日: 2022-11-24
• 公開（公告）號: CN115863567A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 余海軍;王濤;李愛霞;謝英豪;張學梅;李長東
• 申請（專利權）人: 廣東邦普循環科技有限公司;湖南邦普循環科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 吳靜均

本發明公開了一種高倍率小粒徑單晶正極材料的制備方法及其應用，將正極材料前驅體粉碎料與鋰源混合，低溫燒結，使鋰進入到前驅體內部結構中，再通過氣相沉積將金屬有機化合物轉化為金屬氧化物包覆在其表面，形成類超導結構的釔鋇銅氧體，最后經保溫燒結得到高倍率小粒徑單晶正極材料。該方法在包覆正極材料的同時避免顆粒間的晶界熔合，形成小顆粒單晶正極材料，并具有較高的導電性能，綜合提升了倍率性能和循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池正極材料技術領域，具體涉及一種高倍率小粒徑單晶正極材料的制備方法及其應用。

背景技術

如今鋰離子電池已被廣泛應用于各種領域，尤其是隨著電動汽車的快速發展，對鋰離子電池的倍率性能和循環性能都有較高的要求。由于NCM三元正極材料相對較低的成本和較高的能量密度，被認為是最有潛力的候選材料。

隨著三元材料在動力領域安全性逐步成熟，以及消費市場對于續航里程的需求提升，在能量密度上具有顯著優勢的高鎳三元材料電池被市場普遍看好，成為眾多動力電池企業的研究熱點。高能量密度動力電池的市場需求帶動了眾多正極材料企業對高鎳三元材料的研發布局。然而由于高鎳三元材料的研發制備存在較高的行業技術壁壘，國產高鎳三元材料仍無法滿足高鎳三元電池實現產業化的需求。一方面高鎳三元材料在鋰電池循環過程中伴隨著容量的衰減，以及由此導致的較差的循環壽命。容量衰減的原因是高鎳三元正極材料本身結構隨著循環發生不可逆的改變以及與電解液發生反應。另一方面在較高的壓實下高鎳三元正極材料二次球破裂，導致材料內部顆粒裸露，副反應增加和金屬離子溶出加劇，結構坍塌，導致電學性能下降。因此，如何提高高鎳三元正極材料在電池循環過程中的穩定性，降低電極副反應程度，是提高鋰離子電池循環壽命的關鍵。

研究發現，把高鎳三元正極材料做成單晶形貌，不僅能夠提高材料在高電壓下的容量，還具有以下優點：(1)機械強度高，電極壓實過程中不容易破碎，壓實可達3.8g/cm³～4.0g/cm³，其較高的壓實可減小內阻，減小極化損失，延長電池循環壽命，提高電池能量；(2)特殊的一次單晶粒子，比表面積低，有效降低了副反應；(3)單晶顆粒表面較為光滑，與導電劑可以較好的接觸，利于鋰離子的傳輸。

但現有技術中，單晶類正極材料倍率性能差，循環穩定性差，難以實現超高倍率穩定充放電循環；而且多采用高溫燒結法和助劑法制備的單晶正極材料顆粒尺寸分布不均勻且粒徑較大(微米級)、機械完整性較差。另一方面，現有技術多采用包覆的方式改善正極材料的性能，然而隨著包覆種類和包覆量的增加，正極材料的粉末電阻率直線上升，這制約了正極材料的循環性能。

因此，亟需研究一種倍率性能優秀、循環穩定性好的單晶正極材料。

發明內容

本發明旨在至少解決上述現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提出一種高倍率小粒徑單晶正極材料的制備方法及其應用，該方法在包覆正極材料的同時避免顆粒間的晶界熔合，形成小顆粒單晶正極材料，并具有較高的導電性能，綜合提升了倍率性能和循環穩定性。

根據本發明的一個方面，提出了一種高倍率小粒徑單晶正極材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：將正極材料前驅體進行粉碎，所得粉碎料與鋰源混合，在有氧氣氛下升溫至500-550℃反應，得到一燒料；

S2：將固態的金屬有機化合物Y(DPM)₃、Ba(DPM)₂、Ba(TMOD)₂、Cu(DPM)₂混合后升溫使其氣化，所得混合有機氣體采用惰性載流氣送入氣相沉積設備的反應腔中，同時通入氧氣，并升溫至850-950℃，對所述一燒料進行氣相沉積；其中，所述Y(DPM)₃、Ba(DPM)₂、Cu(DPM)₂分別為釔、鋇、銅的二叔戊酰甲烷螯合物，所述Ba(TMOD)₂為鋇的2,2,6,6-四甲基-3,5-辛二酮螯合物；