[發明專利]三元前驅體及其制備方法、正極材料

在審

• 申請號: 202310018392.3
• 申請日: 2023-01-06
• 公開（公告）號: CN116119735A
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 余忠高;訚碩;紀方力;任永志;王一喬;尹偉;李壽奎
• 申請（專利權）人: 湖南中偉新能源科技有限公司;中偉新材料股份有限公司
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00;H01M4/36;H01M4/525;H01M4/505
• 代理公司: 北京匯知杰知識產權代理有限公司 11587
• 代理人: 楊彥鴻

本發明提供了一種三元前驅體及其制備方法、正極材料，三元前驅體為鎳鈷錳氫氧化物；三元前驅體包括核層、殼層以及位于核層和殼層之間的多層連接層，核層和殼層為致密結構，多層連接層均為疏松結構。該三元前驅體將核層與殼層之間的多層連接層設計為多孔疏松結構，再配合均為致密結構的核層和殼層，能夠提高顆粒抗壓能力以及結構穩定性，提高電池的壽命。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種三元前驅體及其制備方法、正極材料。

背景技術

隨著世界汽車行業迅速發展，綠色新能源汽車逐漸成為行業的未來發展方向。新能源汽車以鋰電池作為核心動力，如何提升鋰電池續航能力和儲能能力、鋰電材料單位體積能量密度、電池安全性能、使用壽命已成大勢所需，技術所向。三元前驅體正極材料作為鋰電池的重要組成部分，一直是技術核心所在。由于核殼材料具有容量高、循環及倍率好的優異特性，因此當前三元前驅體材料多為核殼結構。

目前，核殼結構的三元前驅體材料顆粒一般在核層與殼層之間設置多孔縫隙圈層，使得顆粒內部與電解液充分接觸，以利于鋰離子的傳導，從而提高材料循環性能，降低電池電阻，提高電池容量和使用壽命。然而，在使用時隨著長時間循環反復充電和放電，三元前驅體材料顆粒不同組分、不同成分的內核和外殼材料在充放電過程中的體積變化是不一致的。體積的不可逆變化產生的應力會使顆粒結構產生裂紋，從而導致電池使用壽命縮短、循環性能變差和安全性能變差。特別地，在核層與殼層之間設置多孔縫隙圈層時，一方面，不能將單層圈層厚度設置過大，避免核層與殼層之間存在連續的較寬的多孔縫隙結構導致抗壓能力不足；另一方面，如果無圈層，雖然顆粒結構強度更高，但是顆粒與電解液接觸面積減少，會影響鋰離子導通能力，導致降低電池性能。

因此，如何在核層與殼層之間設置既具有較優抗壓能力、又滿足鋰離子導通能力的連接圈層顯得尤為重要。

發明內容

針對傳統三元前驅體正極材料顆粒的結構抗壓能力不強、顆粒內部與電解液接觸不夠充分、材料循環性能不佳等問題中的至少一部分，本發明提供了一種三元前驅體及其制備方法、正極材料，能夠提高三元前驅體材料顆粒的抗壓能力和結構穩定性，同時保證材料具有較佳的鋰離子導通能力。

根據本發明的一個方面，提供一種三元前驅體，三元前驅體的化學通式為Ni_xCo_yMn_zM_a(OH)₂，其中0.75≤x1.0，0≤y0.18，0≤z0.20，0≤a＜0.1，x+y+z+a＝1；M為Al、Ti、Zr、Mo、Cr、W、B、Mg、Ba、Nb與Sr中的至少一種。

三元前驅體包括核層、殼層以及位于核層和殼層之間的多層連接層，核層和殼層為致密結構，所有的連接層均為疏松結構。

本發明的上述技術方案中，致密核層和致密殼層內部的孔隙較少，孔隙率較低，相對密度更高，而疏松連接層具有多孔蓬松結構，孔隙率較高，相對密度較低。利用多層疏松多孔隙結構的連接層可以使得顆粒內部與電解液充分接觸，提高鋰離子傳導速度，從而降低電阻，提高倍率性能以及循環穩定性。同時，多層疏松連接層可緩沖容納由充電和放電期間導致的顆粒體積變化產生的應力，并且通過致密緊實核層和致密殼層結構可承受循環充放電產生的應力，提高材料抗壓能力以及結構穩定性，從而提高電池的壽命和安全性能。并且，本方案提供的三元前驅體為高鎳產品，具有循環性能好、能量密度大、穩定性和安全性能好的優勢。

在進一步優選的方案中，三元前驅體包括由內而外的核層、第一連接層、中間層、第二連接層和殼層，第一連接層、中間層和第二連接層均為疏松結構。