[发明专利]球形颗粒、其制备及用途

说明书

本发明涉及包含选自镍、钴、锰、钛、钒、铬和铁的至少两种过渡金属的阳离子的过渡金属碳酸盐、过渡金属氢氧化物或过渡金属碳酸盐氢氧化物的球形颗粒，其中相对所述颗粒的半径绘出的至少一种过渡金属阳离子的浓度具有既不在所述颗粒的中心，也不在所述颗粒的边缘上的至少一个相对极值。

本发明进一步涉及制备本发明球形颗粒的方法。本发明进一步涉及可借助本发明颗粒制备的锂化混合过渡金属氧化物，和因此制备的锂化混合过渡金属氧化物的用途。

储存能量长期以来是具有增长意义的主题。电化电池，例如电池或蓄电池可用于储存电能。截至目前，锂离子电池特别有意义。它们在一些技术方面优于常规电池。例如，它们可用于产生不能用基于含水电解质的电池得到的电压。

在锂离子电池中，制备电极的材料，更特别是制备阴极的材料起重要作用。

在许多情况下，含锂混合过渡金属氧化物用作活性材料，尤其是含锂镍-钴-锰氧化物。

在对电池的机械损害的情况下或者在过多热应力的情况下，由于不充分的循环稳定性，尤其是在高温下，例如在35-60℃下，以及寿命和可靠性，尤其是在短路方面，在许多电池中出现问题，且这些仍需要改进。另一问题是气体的发展，这可导致电池的快速失效，在富镍阴极材料的情况下尤其如此。仍未最终解决的另一问题是功率耐久性(倍率容量)。

一些作者提出通过制备所谓的梯度材料或核-壳材料解决这类问题。例如，Y.-K.Sun等人在J.Mater.Sci.2011，21，10108中提出具有非常高的镍含量的材料，所述颗粒具有83摩尔％的镍含量，且核具有90摩尔％的镍含量。

解决的问题因此是提供用于锂离子电池的阴极材料，所述阴极材料具有改进的倍率容量和循环稳定性，在较高操作温度(35-60℃)尤其如此，而不必接受比容量以及因此能量密度方面的缺点。解决的另一目的是提供制备具有改进的倍率容量和循环稳定性，在较高操作温度(35-60℃)尤其如此，而不必接受能量密度方面的缺点的用于锂离子电池的阴极材料的方法。

发现阴极材料的前体对阴极材料具有关键影响。因此，发现开头定义的前体，这些以球形颗粒的形式得到，在本发明上下文中也称为本发明球形颗粒或者简称为本发明颗粒。

本发明颗粒具有基本球形形状。在该上下文中，球形颗粒应不仅包括确切球形的那些，而且包括其中至少95％(数均)代表性试样的最大与最小直径相差不多于25％，优选不多于15％的那些颗粒。在本发明一个具体实施方案中，本发明颗粒为确切球形的。

本发明颗粒可具有例如通过光散射测量为0.1-35μm，优选1-30μm，更优选2-20μm的中值直径(D50)。合适的设备为市售的，例如Malvern Mastersizer。

在本发明一个实施方案中，本发明球形颗粒具有窄粒径分布。因此，优选满足以下不等式：(D10)≥0.5·(D50)且(D90)≤1.7·(D50)。

本发明颗粒可以为初级颗粒的聚集体的形式。相应的初级颗粒可具有例如50nm至500nm的平均直径。

本发明颗粒为过渡金属碳酸盐、过渡金属氢氧化物或过渡金属碳酸盐氢氧化物的颗粒。过渡金属碳酸盐还应当理解意指碱性过渡金属碳酸盐，过渡金属氢氧化物也应当理解意指过渡金属羟基氧化物，但其中在过渡金属碳酸盐的情况下，阴离子多于50摩尔％的程度为碳酸根离子，在过渡金属氢氧化物的情况下，阴离子多于50摩尔％的程度为氢氧根离子。

在一个实施方案中，在过渡金属碳酸盐的情况下，阴离子基于所述本发明颗粒中的所有阴离子至至多99.9摩尔％的程度，优选至至多99.5摩尔％的程度为碳酸根离子。

在一个实施方案中，在过渡金属氢氧化物的情况下，阴离子基于所述本发明颗粒中的所有阴离子至至多99.9摩尔％的程度，优选至至多99.5摩尔％的程度为氢氧根离子。

在一个实施方案中，在过渡金属碳酸盐氢氧化物的情况下，阴离子基于所述本发明颗粒中的所有阴离子至至多99.9摩尔％的程度，优选至至多99.5摩尔％的程度，例如为1:10-10:1的摩尔比的碳酸根离子和氢氧根离子。

其它阴离子，例如至少0.1摩尔％，优选至少0.5摩尔％，可以为例如阳离子或用作制备本发明球形颗粒的原料的盐的抗衡离子，例如硫酸根离子、卤离子、硝酸根离子或羧酸根离子，例如乙酸根。

在本发明一个实施方案中，本发明颗粒包含选自镍、钴、锰、钛、钒、铬和铁的至少两种过渡金属的阳离子，优选上述过渡金属中至少三种的阳离子。