[发明专利]一种镍钴锰多元掺杂锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种镍钴锰多元掺杂锂离子电池正极材料及其制备方法，属于能源材料技术领域。

背景技术

目前，手机、笔记本电脑所用锂离子电池的正极材料为钴酸锂。钴酸锂的初始放电容量为140～145mAh/g，并具有良好的循环性能，自1992年以来被广泛地用作锂离子电池正极材料。但由于钴资源短缺，钴酸锂材料价格昂贵，而且还存在容量较低、安全性能较差等缺陷。为寻找质优价廉的锂离子电池正极材料，国内外近年来对锰酸锂、镍酸锂等正极材料的制备进行了广泛的研究。锰酸锂电容量较低，循环性能、特别是高温循环性能较差，使其应用受到较大的限制，目前主要在小型动力电池方面得到使用。镍酸锂合成较困难，仍处于试验研究阶段。

镍钴锰酸锂多元正极材料(以下简称多元正极材料)是一种新型高容量锂离子电池正极材料，该材料安全性能好，价格相对较低，与电解液的相容性好，循环性能优异。但该材料的合成较困难，产出的材料稳定性较差，材料的密度较钴酸锂低，阻碍了该材料的实际应用。近年来，经过广泛深入的研究，多元正极材料的制备获得了大的进展，已研制出复晶颗粒(多数为类球形)状的多元正极材料，镜下观察该多元正极材料的单个颗粒是由多个微粒聚集(或结合)而成，该多元正极材料的振实密度可达2.0～2.5g/cm³，首次放电容量140～145mAh/g。目前国内外锂离子电池正极材料厂家研发试生产的镍钴锰酸锂多元正极材料，其外形为复晶颗粒。外形为复晶颗粒的镍钴锰酸锂多元正极材料的制备工艺较复杂，制备出的复晶颗粒镍钴锰酸锂多元正极材料虽然具有较高的振实密度，其压实密度可达3.2～3.4g/cm³，但难以进一步提高。并且由于多个微粒结合而成的复晶颗粒其粒径难以均一，粒度分布较宽，在制备电池极片的过程中，一些细小微粒还容易从复晶颗粒表面脱落，产品的稳定性较差；并且类球形复晶颗粒具有较大的吸湿性，暴露在空气中容易吸湿，影响产品的使用性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种具有较高的压实密度、较低吸湿性、结构更稳定的镍钴锰多元掺杂锂离子电池正极材料。本发明的另一目的在于提供该镍钴锰多元掺杂锂离子电池正极材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种镍钴锰多元掺杂锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzM_(1-x-y-z)O₂，式中M为钼、铬、锗、铟、锶、钽、镁或稀土元素中的一种或几种，x、y、z的取值范围为：0.3<x<0.4，0.29<y<0.35，0.3<z<0.4。该电池正极材料的颗粒为非团聚单晶粒，粒径为0.5-30μm。M的含量为镍钴锰质量总量的0.13-0.3％。M的质量分数为除镍钴锰外其他掺杂金属元素在本发明电池正极材料的总金属元素中所占的摩尔质量分数。

上述镍钴锰酸锂电池正极材料的制备方法包括以下步骤：

(1)制备镍钴锰多元中间体：

将镍、钴、锰的硫酸盐或硝酸盐配制成水溶液，向该溶液中加入钼、铬、锗、铟、锶、钽、镁或稀土元素的盐中的一种或几种，搅拌溶解，配制成总金属摩尔浓度为0.8-1.3mol/L的多元金属盐溶液，该多元金属盐溶液中镍钴锰的摩尔比为Ni：Co：Mn＝(0.9-1.2)∶1：(0.9-1.2)，钼、铬、锗、铟、锶、钽、镁或稀土元素等掺杂元素的含量为镍钴锰元素质量总量的0.13-0.3％；

在40-70℃的温度下以5-30mL/min的速度将上述多元金属盐溶液加入到含有聚乙二醇6000的NaOH、NH₃混合碱性溶液或草酸盐溶液中，所述混合碱性溶液的Ph值>8，其中NaOH的摩尔浓度为0.02-0.9mol/L，氨的摩尔浓度为0.01-0.9mol/L，碱性溶液的用量为按化学反应式计算的理论量的1.04-1.07倍；所述草酸盐溶液为摩尔浓度为0.8-1.2mol/L的草酸铵或草酸钠溶液，草酸盐的用量为按化学反应式计算的理论量的1.05-1.1倍；

加料完毕继续搅拌1-2h，陈化(即静置)1-4h，过滤，得固形物，用去离子水洗涤固形物，洗水用量为中间体重量的7-13倍，使洗涤后的固形物中Na元素的质量百分含量<0.01％，洗涤后的固形物在105-120℃干燥3-5h，得镍钴锰多元中间体。