[发明专利]锂离子电池用三元正极材料微米单晶结构及其制备方法

说明书

本发明利用超重力技术能够高效传质和强化反应的特点，提供了一种利用超重力技术制备三元材料前驱体，进而制备锂离子电池用三元正极材料微米级单晶结构的方法。本发明通过超重力反应器中的丝网状填充料实现了金属盐溶液与沉淀剂的乳化；该填充料相当于一个微米的反应器，有利于生成颗粒细小的纳米颗粒，纳米颗粒在微米反应器内进一步组装成微米颗粒。纳米级的一次颗粒，在后续的煅烧过程中，会大幅降低煅烧温度，易于形成大颗粒的单晶结构。利用本发明制备的三元正极材料，为微米级单晶结构，D50在3‑6um之间，材料易于后续的电池加工，同时表现出优异的电化学性能。本发明所需设备体积小、能源效率高，且可大幅度提升产品品质，易于规模化工业生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，涉及一种锂离子电池用三元正极材料微米级单晶结构及其制备方法。

背景技术

锂离子二次电池(以下简称：锂离子电池)是20世纪90年代开发成功的新型高能电池，是在锂二次电池基础上发展起来的一种锂离子嵌入式电池。与传统的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池相比，它具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，目前已经广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机等小型电子产品。相对于小型电子设备电源而言，大规模储能设备以及电动汽车用电源对能量密度、功率密度、安全性、寿命、成本等有着更高的要求。随着锂离子电池新材料和新结构的不断发展，电池的安全性和循环寿命不断提高，成本越来越低，锂离子电池势必成为首选的高能动力电池和能源储存设备。

作为锂离子电池的最重要组成部分，正极材料在电池充放电过程中不仅要提供在正负极嵌锂化合物间反复嵌入/脱出所需要的锂，而且还要负担在负极材料表面形成固体电解质相界面膜所需要的锂。因此,正极材料成为锂离子电池的关键原材料，也是锂离子电池成本占比最大的材料。其中，层状锂镍钴锰氧正极材料(以下简称“三元材料”或“NCM”)因较好地兼备了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂的优点，三元协同效应使其综合性能优于任一单组份化合物，使其具有高比容量、循环性能稳定、成本相对较低、安全性能较好等优点，是动力锂离子电池的理想正极材料，也被认为是最好的、能取代LiCoO₂的正极材料。因此，近年来，该系列材料引起了产业界和学术界的极大兴趣，也成为各路资本争向追逐的市场宠儿。

现阶段国内外生产厂家生产的三元正极材料都为细小一次晶粒组成的二次微米球形颗粒，一次晶粒间存在着间隙。电极辊压过程中，二次球形颗粒会发生破碎，破碎的颗粒间也存在着间隙，这两个方面是导致材料的压实密度较小。此外，细小的晶粒使得活性物质材料与电解液接触面积较大，材料界面结构容易遭受到电解液的腐蚀和破坏，进而导致过渡金属Ni、Co、Mn在电解液中的溶解，造成电池容量的衰减。

针对上述问题，研究发现，通过把三元正极材料制备成微米或亚微米单晶颗粒，可以提高材料的压实密度，减少颗粒与电解液的接触面积，从而减少副反应的发生，提高材料的电化学性能。因此，开发三元正极材料微米级单晶是目前锂电正极材料研究和生产中的热点和难点之一。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种三元正极材料微米级单晶结构及其制备方法。

为实现上述目的，本申请的发明人对三元正极材料的合成工艺进行了多年深入研究，经多种尝试后发现，前驱体的一次颗粒大小和团聚形貌结构对制备三元正极材料微米单晶结构的工艺起着重大影响：组成前驱体的一次颗粒越小，制备微米单晶工艺越简单，越容易制备成微米级单晶结构。