[发明专利]锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池正极材料的制备方法，尤其涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法。

背景技术

自1991年索尼公司以层状钴酸锂做正极材料制作的电池投放到市场以来，锂离子二次电池在各个领域日益显示出重要作用，电池材料也不断发展，相继出现各具特性的锂离子电池正极材料，如锰酸锂、镍酸锂、磷酸亚铁锂、镍锰钴三元等。随着人们对锂离子电池的要求越来越高，人们需要使用时间更长、尺寸更小、重量更轻的锂离子二次电池，这就要求其正极材料应同时具备安全性好、比容量高、循环性稳定等性能，但目前已经成熟的钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂和镍钴锰三元材料均难以同时满足前述的各项要求。而镍酸锂具有比上述正极材料容量高得多的特性，通过对其从合成方法、掺杂改性等方面进行适当的处理，改善其循环性能和安全性能，有望使镍酸锂成为市场主导的锂离子电池正极材料。

镍酸锂具有两种结构，具有电化学活性的晶体结构是α-NaFeO₂型层状结构，结构的稳定性主要取决于锂离子和三价镍离子在氧立方密堆积的有序程度。在实际合成中，由于二价镍的3d⁸的电子分布特性，其很难被氧化成三价镍，生成化学计量比的镍酸锂非常困难，通常都会有少量的二价镍占据三价镍的晶格点，同时为补充电荷平衡，等量的二价镍也会进入锂层，导致阳离子的混排，使电容量降低。解决此难题的方法有两种，一是尽可能使镍处于三价，二是掺入能稳定其结构的元素（例如钴、镁、铝等）。即便如此能使镍酸锂的循环性能和安全性能得到较大的改善，但仍不理想，而且如此生产的镍酸锂碱性较高，会为后期制作的电池带来安全隐患。

现有镍酸锂的制备方法主要有固相合成和液相合成。固相法合成一般以镍的化合物、锂源及掺杂元素化合物混合后进行烧结，但这种固体混料方式不能达到原子级别的均匀，性能难以充分发挥；液相法虽然可以解决此问题，但工艺复杂、产量低。从实际生产角度考虑，固相法制备镍酸锂无疑更适合大规模生产，但生产条件苛刻，控制困难，特别是对烧结气氛要求严格，因为在空气气氛下只能得到Li₂Ni_8-xM_xO₁₀；另外，烧结温度的控制也是一大难题，其浮动范围较窄，温度低则反应不充分，温度高则会发生分解，很难反应完全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种设备要求低、自动化程度高、操作简单、环境友好、原材料浪费少、产品质量好、且适合工业化生产的锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法，包括以下步骤：

（1）镍钴铝前驱体的制备：将镍盐溶液和钴盐溶液混合均匀，混合后溶液中的金属离子浓度为0.5M～2.0M，再将络合剂溶液、沉淀剂溶液与所述混合后溶液一起并流加入装有底液的反应釜中，加热搅拌进行一次沉淀反应，待充分反应后（例如生成的固体沉淀颗粒生长到平均粒径为7μm～14μm时），开始对溢出的料浆进行固液分离，再对分离后的固体料进行洗涤；当洗涤后的洗涤液pH值达到8.5～11.5时，停止洗涤并将固体料加入到装有底液的反应釜中，再向反应釜中缓慢滴加0.1M～1.0M的铝盐溶液和沉淀剂溶液进行二次沉淀反应，不断搅拌，使铝元素逐渐沉淀到该固体料表面，充分反应后，对溢出的料浆进行固液分离，分离后的固体产物经洗涤、烘干后，得到具有核壳型结构的锂离子电池正极材料前驱体；

（2）镍钴铝正极材料的制备：将上述步骤（1）制得的锂离子电池正极材料前驱体与锂源混合，在通氧条件下进行两段烧结，两段烧结后的焙烧料经破碎及后续处理，得到锂离子电池正极材料镍钴铝（NCA材料）。该锂离子电池正极材料镍钴铝的平均粒径为5μm～20μm。

上述的锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法中，优选的，所述镍盐溶液、钴盐溶液和铝盐溶液分别包括各自金属元素对应的氯化盐水溶液、硫酸盐水溶液或硝酸盐水溶液。

上述的锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法中，所述镍盐、钴盐、铝盐三者的摩尔配比优选为（70～90）∶（10～30）∶（1～10）。

上述的锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法中，所述络合剂溶液优选为1M～14M的氨水或铵盐溶液。

上述的锂离子电池正极材料镍钴铝的制备方法中，所述沉淀剂溶液优选为1N～5N的强碱或碳酸盐溶液。