[发明专利]一种倍率型锂离子电池三元正极材料前驱体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，特别涉及一种锂离子电池用正极材料前驱体，以及该正极材料前驱体的制备方法。

背景技术

能源问题是关系到我国的可持续发展的关键问题，寻求和开发可替代二次能源是我国目前的一个重要国策。锂离子电池是近十多年来迅猛发展起来的一种高能电池，由于其具有高电压、高比能、循环周期长、环境污染小等优势，目前已经成为我国新能源产业发展的一个重点方向。而正极材料是锂离子电池的重要组成部分，也是锂离子电池中成本比例最高的部分。

目前三元材料由于具有较高的比容量和成本优势，在材料研发和商业化应用中得到广泛关注。并且随着三元材料动力电池应用于EV和HEV比例不断上升，电池制造厂商对于三元材料的倍率性能有了更高的要求，目前的三元材料已经渐渐不能满足电池制造商对其倍率性能上的需求。

发明内容

本发明的一个目的在于，针对现有的锂离子电池三元正极材料的性能改善需求，提供一种在微观结构上改性的三元材料前驱体，通过添加石墨烯微片在三元材料前驱体颗粒内部形成更多的锂离子扩散通路，提高材料内部的导电率，从而从根本上提高三元材料的倍率性能，使之可以更好的应用于对倍率性能要求更高的动力电池领域。

本发明的另一个目的在于提供上述高倍率型三元材料前驱体的制备方法，本发明提供的锂离子电池正极材料前驱体制备技术改变了过去单一盐溶液的制备工艺，在前驱体颗粒体相内部均匀掺入石墨烯微片，作为材料的骨架支撑和锂离子导电通路。

为了解决上述技术问题，提高材料性能，本发明提出的一种倍率型锂离子电池三元正极材料的前驱体，该前驱体为球形或类球形形貌的颗粒，具有以下分子式组成：Ni_aCo_bMn_1-a-b(0H)₂，其中，0<a,b<1，0<a+b<1；所述颗粒的内部均匀分布有片层状纳米级石墨烯材料微片。

进一步讲，所述片层状纳米级石墨烯材料微片的粒径D50在3-15um间，振实密度在1.6-2.2g/cm³间。

该前驱体中所述片层状纳米级石墨烯材料微片与金属离子质量比为0.05％-3.5％间。所述片层状纳米级石墨烯材料微片是石墨烯、单层氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯中的一种或两种以上材料的混合。所述片层状纳米级石墨烯材料微片的厚度为0.8nm-2nm，片层粒径10nm-200nm间。

本发明提出的制备上述倍率型锂离子电池三元正极材料前驱体的具体步骤如下：

步骤一、向一定量的水中加入一定量的有机分散剂，所述有机分散剂是乙醇、异丙醇、乙胺、乙二醇、甘油中的一种或多种组合；混合均匀后加入石墨烯粉末或石墨烯溶液，形成浓度为0.5-3g/L的悬浊液，进行高速剪切搅拌并同时进行超声2h，得到分散完全的石墨烯溶液；

步骤二、以一定速率向氮气保护气氛反应釜中加入镍、钴和锰三元盐溶液，其中，Ni:Co:Mn的摩尔比为a：b：1-a-b，且0<a,b<1，0<a+b<1，同时以恒定速率并流加入步骤一得到的分散完全的石墨烯溶液，通过碱溶液控制pH值进行共沉淀反应得到固液混合物；

步骤三、将步骤二反应完成后的固液混合物通过离心过滤分离，洗涤至中性后在60-200℃下氮气保护气氛中烘干4-10h，所得到的沉淀固体的分子式为：

Ni_aCo_bMn_1-a-b(0H)₂，其中，0<a,b<1，0<a+b<1；

该沉淀固体呈球形或类球形形貌的颗粒，且颗粒内部均匀分布片层状纳米级石墨烯材料微片，该沉淀固体即为倍率型锂离子电池三元正极材料前驱体。

进一步讲，步骤一所得分散完全的石墨烯溶液中，水与有机分散剂之间的体积比为10:1-100:1间。

步骤二中，并流加入的镍、钴和锰三元盐溶液和分散完全的石墨烯溶液的体积相同，两者同时注入到反应釜中并同时停止加液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：