[发明专利]一种低成本制备窄粒径高镍三元锂电池电极材料的方法

说明书

本发明提出一种低成本制备窄粒径高镍三元锂电池电极材料的方法，采用镍盐、钴盐、铝盐和锂盐作为原料，利用碳气凝胶微球预先吸附铝盐形成球形模板，通过尿素－甲醛预聚物在碱性条件下分散均匀的特性，逐步沉淀为球形颗粒，然后加酸，预聚物进一步聚合形成壳隔离微球颗粒，将产物进行固液分离后进行洗涤等处理，得到镍钴铝前驱体材料，进一步酸化聚合形成隔离膜，将前驱体材料进行烧结，得到粒径分布在1‑5μm的窄粒径高镍三元电极材料，使得烧结形成完整的微球，本发明提供上述方法克服了现有高镍三元材料制备中粒径分布粗细不均的缺陷，制备出的高镍三元锂电池电极材料粒径分布窄，大小均匀，成本低廉，适合批量生产。

技术领域

本发明涉及锂离子材料技术领域，具体涉及一种低成本制备窄粒径高镍三元锂电池电极材料的方法。

背景技术

锂离子电池和传统的蓄电池比较起来，不但能量更高，放电能力更强，循环寿命更长，而且其储能效率能够超过90%,以上特点决定了锂离子电池在电动汽车、存储电源等方面极具发展前景。随着锂电池成为各类电子装置电源的主流,需求量的不断的增加,对电池的要求也越来越高,开发高容量、高能量密度的锂电池越来越重要,开发新的高容量高安全性能的活性材料越来越紧迫。过去，为了提升电池的电容量，几乎都从电池设计来着手，但是此种方法目前已趋近极限，想再提高电池的电容量，必须更换新的材料体系。

镍钴铝酸锂NCA三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池正极材料，NCA 三元材料结构中的 Ni、Co和Al 在一定比例范围内可以相互取代，体现出了不同元素间良好的协同作用，能很好的形成共熔体。镍钴锰酸锂NCA三元材料具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点，这类材料可以同时有效克服钴酸锂材料成本过高、锰酸锂材料稳定性不高、磷酸铁锂容量低等问题，认为是取代钴酸锂的理想正极材料。

Li Ni_{0. 8}Co_{0. 15}Al_{0. 05}O₂等Ni的摩尔分数≥0.6的高镍三元材料凭借着高容量、好的安全性能等优势，得到了大量研究者的密切关注，并且已应用于特斯拉Model-S电动车。但是，高镍三元的制备中粒径分布较为困难，宽粒径分布使得大颗粒和小颗粒中的镍、锂含量极不均匀，小颗粒含有更高的镍和锂，导致脱锂严重，结构极易破坏。因此，粒径分布不均时，过小颗粒的存在加剧了活性材料的不稳定性，特别是与电解液接触时极易溶解。

不同的合成方法所得到的正极材料在颗粒形貌、粒径分布、结晶程度、振实密度和电化学性能等方面都有很大的影响。目前，高镍镍钴铝三元材料主要通过高温固相反应法、共沉淀法、喷雾热解法和其它一些方法等来制备。固相法因为合成工艺较为简单，适合工业化大量生产，所以是制备锂离子电池材料最为常用的方法之一。高温固相法合成的一般过程都是先将锂盐与过渡金属化合物按目标产物的比例称重，然后通过球磨等方式混合均匀，最后将混合物放在高温下煅烧即可形成目标产物，采用固相法虽工艺简单，但材料形貌、粒径等难以控制；沉淀法制备NCA正极材料一般是是先通过共沉淀控制结晶的方法合成前驱体，将前驱体和锂源混合均匀高温煅烧即制得目标 产物镍钴铝酸锂材料。共沉淀法属于原子水平的混合，操作简单，能够通过控制条件得到不同的形貌与粒径。而且，共沉淀法具有合成温度低、产物组分分布均匀、重现性好等优点，共沉淀法粒径分布窄，但需要过滤、洗涤等工序，产生大量工业废水；喷雾热解法将是将Ni、Co和Al的硝酸盐等为原料已经液化的物料，进行雾化、造粒、干燥、分解等工艺处理，经煅烧即可得到电极材料成品，可以通过控制物料的液化过程和喷雾分解工艺过程来控制材料的形貌。喷雾热解法制备的颗粒均匀，但工艺复杂，成本高昂，产率低。

因此，针对现有高镍三元材料制备方法中制备出粒径分布粗细不均的缺陷，有必要提出一种有效可控、低污染、成本低廉的制备方法，制备出窄粒径均匀分布的高镍三元锂电池电极材料。

发明内容