[发明专利]镍钴锰三元前驱体材料及其合成方法

说明书

本发明公开了一种镍钴锰三元前驱体材料及其合成方法。该方法包括以下步骤：配制含硫酸镍、硫酸钴和硫酸锰的金属盐溶液，将金属盐溶液、氢氧化钠溶液和氨水加入到合成反应釜中合成晶种；将晶种投入共沉淀反应釜中进行共沉淀反应，共沉淀反应釜中含有金属盐溶液、氢氧化钠溶液和氨水，通过控制共沉淀反应釜的晶种返回次数和反应时间直到颗粒粒径达到预定值后得到镍钴锰三元前驱体材料。应用本发明的技术方案所提供镍钴锰三元材料前驱体的合成方法，成功获得了平均粒径较小、高振实密度的颗粒，弥补了现有技术的不足，对设备和相关操作参数没有大的影响，可达到生产高品质前驱体材料的目的。

技术领域

本发明涉及化学合成技术领域，具体而言，涉及一种镍钴锰三元前驱体材料及其合成方法。

背景技术

锂电池的应用范围很广，除了传统的3C小家电，锂电池还被用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。

正极不仅作为电极材料参与电化学反应，还要作为锂离子源，所以正极材料应尽量满足以下条件：比容量大、工作电压高、充放电的高倍率性能好、循环寿命长、安全性好等。正极材料在锂电池的总成本中占据40％以上的比例，并且正极材料的性能直接影响了锂电池的各项性能指标，所以锂电正极材料在锂电池中占据核心地位。

三元正极材料有明显的三元协同效应，综合了镍、锰、钴各自的优点，具有成本较低、比容量较高、循环性能稳定等优点，其电化学性能主要受到前驱体材料品质的影响。前驱体材料的主要性能指标包括了振实密度、平均粒径、颗粒球形度等等。采用共沉淀法制备三元材料前驱体过程中，由于二次颗粒均由一次颗粒组成，对二次颗粒形成过程及形成方式进行控制，对二次颗粒的形貌很大影响。

现有工艺生产的三元前驱体材料振实密度为2.2～2.5g/cm3,中位粒径较大，约10μm，粒径较大的前驱体在与碳酸锂烧结过程中，锂离子的迁移路径较长，反应不够充分，从而影响材料的循环性能，需对前驱体材料颗粒的平均粒径进行严格控制，所以合成小粒径的前驱体材料十分必要。

根据已有文献报道，目前工业上主要采用氢氧化物共沉淀法制备镍钴锰三元正极材料前驱体，然后用高温固相法合成最终产品。氢氧化物沉淀反应过程中各种工艺参数都影响着颗粒的形貌，如：镍钴锰盐溶液浓度、碱浓度、氨水浓度、反应温度、反应过程pH值、反应时间、搅拌速度、反应气氛、固含量等，此外，合成方式对前驱体颗粒粒径和形貌有至关重要的影响。

其中，专利CN107507970A采用混合盐溶液与氢氧化物、络合剂共沉淀的方法合成镍钴锰三元前驱体，碱溶液是将强碱性阴离子交换树脂加入到去离子水中得到，强碱性阴离子交换树脂既可以充当强碱，也可以用来吸附溶液中的氯离子、硝酸根或者硫酸根等阴离子，按照此工艺实施例中得到前驱体的粒径范围在3-20μm之间，分布跨度较大，颗粒均一性不佳。

专利107331859A中提出一种单釜快速合成三元材料前驱体的方法，向反应釜内进料，反应釜内液位上升至溢流口后浆料溢流至浓密器内，浓密器底部与循环泵连接，循环泵出口至反应釜内，用于将浓密器内浆料泵回反应釜内。该法得到固体颗粒的粒径为9～20微米。

另外，Li也采用氢氧化物共沉淀的方法，合成出的前驱体材料颗粒大小不一，大颗粒的粒径约为10微米(Yujiao Li,Qiang Han,Ming Xianquan.Synthesis andCharacterization of LiNi_0.5Co_0.2Mn0_.3O2 Cathode material prepared by a novelhydrothermal process.Ceramics International 40(2014)14933-14938.)。