[发明专利]大粒径单晶三元正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种大粒径单晶三元正极材料及其制备方法和应用，其化学通式为LiNi_xMn_yCo_1‑x‑yO₂，其中0.5≤x≤0.85，0.05≤y≤0.25，所述大粒径单晶三元正极材料为单晶颗粒状，表面圆滑，颗粒的D50为5.0‑10.0μm，比表面积为0.3‑0.8cm²/g。本发明先通过前驱体与锂源进行固相烧结制备小颗粒的单晶正极材料，再通过熔盐法烧结，将小颗粒单晶正极材料在熔盐中进行单晶的生长，从而得到大粒径的单晶正极材料，其比表面积小，无尖锐边角，具备较好的循环稳定性和安全性。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种大粒径单晶三元正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

如今锂离子电池已被广泛应用于各种领域，尤其是随着电动汽车的快速发展，对锂离子电池的倍率性能和循环性能都有较高的要求。由于NCM三元正极材料相对较低的成本和较高的能量密度，被认为是最有潜力的候选材料。

随着三元材料在动力领域安全性逐步成熟，以及消费市场对于续航里程的需求提升，在能量密度上具有显著优势的高镍三元材料电池被市场普遍看好，成为众多动力电池企业的研究热点。高能量密度动力电池的市场需求带动了众多正极材料企业对高镍三元材料的研发布局。然而由于高镍三元材料的研发制备存在较高的行业技术壁垒，国产高镍三元材料仍无法满足高镍三元电池实现产业化的需求。一方面高镍三元材料在锂电池循环过程中伴随着容量的衰减，以及由此导致的较差的循环寿命。容量衰减的原因是高镍三元正极材料本身结构随着循环发生不可逆的改变以及与电解液发生反应。另一方面在较高的压实下高镍三元正极材料二次球破裂，导致材料内部颗粒裸露，副反应增加和金属离子溶出加剧，结构坍塌，导致电学性能下降。因此，如何提高高镍三元正极材料在电池循环过程中的稳定性，降低电极副反应程度，是提高锂离子电池循环寿命的关键。

研究发现，把高镍三元正极材料做成单晶形貌，不仅能够提高材料在高电压下的容量，还具有以下优点：(1)机械强度高，电极压实过程中不容易破碎，压实可达3.8g/cm³～4.0g/cm³，其较高的压实可减小内阻，减小极化损失，延长电池循环寿命，提高电池能量；(2)特殊的一次单晶粒子，比表面积低，有效降低了副反应；(3)单晶颗粒表面较为光滑，与导电剂可以较好的接触，利于锂离子的传输。

单晶型材料相较二次颗粒球状材料，具有高电压和长循环等优点，主要是因为单晶型材料的一次颗粒尺寸较大，具有较高的抗压能力，因而在辊压制备极片的过程中不容易出现隐裂或微裂纹，进而在电化学循环过程中，不容易致使正极活性物质出现裂纹，甚至剥离基体表面，出现极片粉化现象。此外，较大的晶体在电化学循环过程中，能够很好的保障其结构的稳定性，进而拥有较好的常温和高温循环性能。

但是，单晶型三元正极材料也存在以下几个缺点，如：(1)在常规制法中，单晶材料一次烧结后会进行气流粉碎，此过程会将团聚在一起的颗粒强行打开，从而产生尖锐的边角。这种尖锐的边角在电池电极制备过程中会对设备造成严重的磨损，缩短设备配件的使用寿命，大大增加电池的制造成本；另外这种尖锐的边角在电池充放电过程中会造成材料充放电程度不均一，从而引起很强的极化作用，更甚至在循环过程中出现颗粒破碎，电池寿命迅速衰减。(2)常规制法得到的单晶正极材料的颗粒平均粒度约为2-3um，比表面积偏大，在高电压下，与电解液的接触面增大，极易导致金属离子的溶出，导致其安全性和循环性能大幅下降。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种大粒径单晶三元正极材料及其制备方法和应用，制备得到的单晶三元正极材料具有较大的粒径、较好的循环稳定性和优异的安全性，并保持着较高的比容量。