[发明专利]一种两段式烧结制备高镍单晶三元材料的方法

说明书

本发明涉及一种两段式烧结制备高镍单晶三元材料的方法，属于锂离子电池技术领域。所述方法首先将镍钴锰氢氧化物前驱体与LiOH研磨混合均匀，得到混合粉末A；然后将混合粉末A加热至830℃～870℃，保温2～7h，然后以1.5℃/min～4℃/min的降温速率冷却至室温，得到粉末B；之后将粉末B置于球磨罐中，加入异丙醇进行球磨，球磨完成后抽滤、烘干，得到粉末C；最后将所述粉末C加热至700℃～750℃，保温6～15h，然后以1.5℃/min～4℃/min的降温速率冷却至室温，得到一种高镍单晶三元材料。所述方法在维持单晶形貌的同时发挥了优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种两段式烧结制备高镍单晶三元材料的方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池因其具有能量密度高、循环寿命长等优点，而被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车以及储能电站等电源系统中，不断推动着社会朝着智能化和清洁化发展。正极材料是锂离子电池的重要组成部分，其成本约占电池总成本的三分之一左右，负极材料发展迅速，比容量高，故正极材料是决定整个电池系统电化学性能的关键。目前常用的锂电正极材料有层状材料(如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等)、尖晶石型材料、聚阴离子型材料以及镍钴锰三元材料等。镍钴锰三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂三种单一材料的优点，并且通过三种过渡金属元素间的协同作用能够满足不同电源的需求，充放电过程中的氧化还原反应主要依靠镍元素的变价，所以材料中镍元素的含量决定了材料的容量，但是过高的镍元素比例又会导致严重的阳离子混排现象，影响材料性能；钴元素有利于降低阳离子混排，稳定层状结构，并且能够起到提升材料倍率性能的作用，但是钴元素价格昂贵、毒性大；锰元素可以起到稳定结构的作用，并且廉价的锰也能够起到降低电池成本的作用，但是锰元素过高不利于材料比容量的提升。随着电子产品的快速发展和动力电池续航里程需求不断提升，对电池的能量密度也有了越来越高的要求，因此高镍化成为镍钴锰三元材料的发展方向，在提升电池能量密度的同时也降低了成本。

目前市场上的镍钴锰三元正极材料以多晶材料为主，是由大量的一次微纳级颗粒团聚而成的二次粒子，在电池的循环过程中，电解液会沿一次粒子结合的缝隙间渗入侵蚀正极材料，加剧体积膨胀导致了微裂纹的产生，在高电压和大电流充放电条件下更为严重，这也是锂离子电池在后续的循环过程中衰减过快的原因之一，高镍单晶三元材料是由一次粒子通过高温结晶生长得到的，其不存在颗粒团聚及微裂纹，具有较好的机械性能，在充放电循环过程中也几乎不会产生微裂纹，循环稳定性也更加优于多晶材料，但是单晶材料的研制需要较高的烧结温度，高温会破坏材料中锂源、过渡金属离子的挥发，导致形貌及结构的破坏，初始容量大大降低。

目前制备高镍单晶三元材料应用最广的方法是单段式烧结法，即将前驱体与锂源以适量的摩尔比混合均匀后于氧气气氛下850℃～900℃的高温下煅烧12～20h一次烧成，在形成单晶形貌的同时具备了一定的电化学性能。然而单段式烧结中的高温虽然促进单晶形貌的形成，但温度过高反而恶化了材料的电化学性能，导致高镍单晶三元材料在2.7V～4.3V、1C的倍率下，其初始容量普遍低于180mAh/g；此外，单段式烧结工艺中的高温在烧结到一定程度时会加剧一次粒子的团聚，得到的单晶材料形貌并不均一，且往往是单晶和多晶的混合体。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种两段式烧结制备高镍单晶三元材料的方法。所述方法通过优化烧结工艺不仅保持了单晶形貌，同时电化学性能也得到了很大的提升。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种两段式烧结制备高镍单晶三元材料的方法，所述方法步骤如下：

(1)将镍钴锰氢氧化物前驱体与LiOH按照1:1.04～1:1.12的摩尔比研磨混合均匀，得到混合粉末A；其中，镍钴锰氢氧化物前驱体的化学式为Ni_xCo_yMn_1-x-y(OH)₂，0.8≤x＜1，y＞0，1-x-y＞0；