[发明专利]一种全浓度梯度高镍三元材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，特别公开了一种全浓度梯度高镍三元材料的制备方法及其应用。该全浓度梯度高镍三元材料的制备方法，其特征在于：配制富镍盐溶液A、贫镍盐溶液B，共沉淀反应时将溶液A缓缓通入反应釜内，同时将溶液B按一定流速通入溶液A储罐中。反应结束后，经过滤分离、洗涤、干燥得到全浓度梯度高镍三元前驱体材料，再将该前驱体材料与锂盐混合，煅烧后得到全浓度梯度高镍三元材料。该材料从核心到表层，镍元素相对含量不断减小，钴、锰元素相对含量不断增加，构造了镍元素含量从核心到表层的全径向浓度梯度变化。该材料实现了具有高容量与稳定的表界面的同时可以缓冲循环中产生的晶格体积变化，提高了其循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，特别公开了一种全浓度梯度高镍三元材料的制备方法及其应用。

背景技术

面对日益严峻的资源压力和环境危机，发展可再生能源和能源的转化储存势在必行。锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、质量轻、体积小、自放电率低、无记忆效应、环保等优势逐渐受到了广大学者的关注。作为动力电池而言，锂离子电池正极材料必须拥有高比容量。现在的锂离子电池所用正极材料主要包括磷酸铁锂及三元材料，磷酸铁锂具有安全性高、循环寿命长等特点，但导电性差，实际比容量低，仅有140mAh/g，无法完全满足动力电池对能量密度提出的高要求。

大量研究证明，通过提高三元材料中作为主要活性成分镍含量可有效提高材料实际所能达到的比容量(200mAh/g)，从而极大的提升以其为正极材料的锂离子电池能量密度，高镍三元材料也因此逐渐受到大量锂离子电池从业者的青睐。

虽然镍含量的增加提高了材料的实际可逆容量，但同时将导致高镍三元材料的热稳定性和循环性比低镍三元材料差。究其原因，首先，由于镍含量的增加，热分解温度降低，放热量增加，这意味着材料的热稳定性变差。在高镍材料中，在相同电位下脱出的Li⁺多于低镍含量材料，Ni⁴⁺含量较高，且有很强的还原性，容易变成Ni³⁺，为了保持电荷平衡，材料会释放出氧气，使得稳定性变差。其次，高镍材料很容易与空气中的H₂O、CO₂反应生成LiOH和Li₂CO₃使电池的加工难度加大，电池极化增大，电化学性能变差。因此，增加高镍材料的表界面稳定性是提高其循环性能的关键。

为了解决上述问题，许多业内学者进行了相关探索。譬如中国专利CN108172799A公开了一种核壳结构正极材料及其制备方法，该方法将NCM前驱体表面形成一层氢氧化铝包覆层，后将上述前驱体进行过滤、洗涤、干燥后加入锂源进行热处理得到表面包覆有氧化铝的NCM材料。该发明制备的核壳结构前驱体孔隙分布均匀，间距适中，比表面积大。将前驱体与锂盐进一步处理得到锂离子电池正极材料，表现出长循环稳定性能和良好倍率性能。又如中国专利CN103236537B公开了一种多层核壳结构三元前驱体的制备方法，该方法以三元材料为核心，二元材料与一元材料为壳材料形成三层核壳结构，改善了材料的循环性能，提高了电极工作过程中的安全性。

尽管核壳结构(核：高镍材料，壳：低镍材料)能够改善材料的循环稳定性及热稳定性，但研究发现循环后的核壳结构材料，在核与壳的结合处发生分离，因此不能保证核壳结构在超长期循环中的持续稳定性。对于核壳结构材料而言，存在于核的高镍材料在充放电循环中产生9-10％的体积形变，而低镍壳材料的体积形变仅仅为2-3％，不同程度的体积收缩膨胀致使长时间充放电循环时核壳材料的核壳分离，另外，由于壳材料的锂离子传输性能及电子电导率较差，核材料的高容量特性也受到一定程度的制约。

发明内容

针对上述现有技术问题，本发明提供了一种全浓度梯度高镍三元材料的制备方法。该制备方法工艺简单、重复性好、成本低廉、环境友好，且制备的全浓度梯度高镍三元材料具备优异的循环性能和倍率性能。

为完成上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：