[发明专利]一种高倍率镍钴铝酸锂正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高倍率镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，它包括以下步骤：（1）镍钴铝酸锂前驱体的制备；（2）钾离子的锂位掺杂改性；（3）含锂化合物包覆层的构筑。本发明通过钾离子的锂位取代，有效改善了锂离子的扩散速率，提高材料的倍率性能；同时材料表面构筑的含锂化合物层，可以降低材料表面残碱含量，减少后期电芯的胀气；有效抑制副反应，促进材料在循环过程中的结构稳定性；含锂化合物层对锂离子具有高的传导性能，加速锂离子的嵌入和脱出，解决了普通金属氧化物作为包覆层时锂离子传导性差的问题，提高了材料的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，特别涉及一种高倍率镍钴铝酸锂正极材料的制备方法。

技术背景

锂离子电池以其高能量、寿命长、无污染等优点，已广泛应用于手机、笔记本电脑等领域，同时也开始应用于电动自行车、电动汽车等动力电池领域。钴酸锂正极材料是最早实现商业化的正极材料，但由于钴资源有限且价格昂贵，污染大，限制其进一步的发展。高镍系正极材料Li(Ni_xM_1-x)O₂（x≥0.6）因成本较低、容量高且环境友好，成为重要的锂离子电池正极材料。作为LiNiO₂、LiCoO₂和LiAlO₂三者的类质同相固溶体，镍钴铝酸锂（LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，简称NCA）同时具备了以上三者的优点，被视为钴酸锂的替代物，在动力电池领域将有非常广阔的应用市场。

NCA材料在电池应用过程中依然存在一些问题：(1) 由于阳离子混排效应以及材料表面微结构的相变，造成NCA的不可逆容量损失和循环性能下降；(2) NCA材料制备的电芯产气较严重；(3) 锂离子扩散系数低，使得材料的倍率性能不是很理想。针对上述这些问题，可通过离子掺杂和表面包覆改善其电化学性能。

目前对NCA材料的掺杂改性研究，基本都是过渡金属层的离子取代，虽然能在一定程度上提高材料的电化学性能，但过渡金属层的离子取代不能促进锂离子的迁移速率。如申请号为201410445867.8的发明均公开了镍钴铝酸锂正极材料及其制备方法，但公开的正极材料为过渡金属层的离子取代，能稳定晶格结构，但不能促进锂离子的迁移速率。对NCA材料进行表面包覆所采用的包覆材料是氧化物/磷酸盐等，包覆层阻碍了电解液对材料的腐蚀、抑制了材料与电解液的副反应，但同时因为其电化学惰性，也会对电子和锂离子的传导造成阻碍。如申请号为201410004698.4的发明分别通过氧化铝包覆改性，由于这些物质为电化学惰性物质，会阻碍活性材料的容量发挥。

因此需开发出一种新型镍钴铝酸锂正极材料，来改善上述问题，本发明专利通过钾离子的锂位掺杂和构筑含锂化合物包覆层的改性手段，提高NCA材料的电化学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高倍率镍钴铝酸锂正极材料的制备方法。本发明通过钾离子的锂位掺杂，增大锂层的层间间距，促进锂离子的扩散速率，提高材料的倍率性能；针对NCA材料相对于其他正极材料的不同点（表面残留的碱性物质偏高）的特性，设计能与表面残碱反应，生成具有电化学活性的含锂包覆层，改善锂离子的嵌入和脱出，最终提高了材料的循环性能和倍率性能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高倍率镍钴铝酸锂正极材料的制备方法，步骤如下：

（1）镍钴铝酸锂前驱体材料的制备：将混合均匀的镍、钴盐溶液，以及溶有铝盐的氨水和氢氧化钠混合溶液，按一定的速度同时注入含有底液的反应釜中，控制整个反应体系的pH为9-12，搅拌加热反应8-16 h，反应后的溶液经过陈化、洗涤、过滤，在80-120℃下干燥，得到镍钴铝酸锂前驱体材料；