[发明专利]一种单晶三元正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种单晶三元正极材料及其制备方法和应用，本发明属于能源材料技术领域，单晶三元正极材料化学通式LiNi_xCo_yMn_1‑x‑y，其中，0.3<x<0.8，0.1<y<0.4。本发明结合共沉淀法与二次高温烧结法制备具有单晶结构的三元正极材料，制备方法包括：(1)通过共沉淀法合成金属氢氧化物前驱体；(2)金属氢氧化物前驱体与烧结助剂0.2‑1wt％LiF研磨混合均匀后进行600℃～900℃保温6h烧结，得到金属氧化物前驱体；(3)将化学计量比的锂盐混合均匀后进行高温烧结后，研磨过筛得到单晶三元正极材料。本发明制备出的材料具有结晶度高、粒径分布均匀、结构稳定、循环性能优异等优点。

技术领域

本发明属于能源材料制备领域，尤其涉及一种能用于锂电池电极材料领域的特殊单晶结构的三元正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前市场上大部分三元正极材料是由一次颗粒团聚而成的二次大颗粒，晶体缺陷较多，颗粒不均匀，电池一致性较差，一方面材料与电解液的接触面积小，不利于锂离子的迁移，另一方面二次颗粒团聚的材料颗粒粒径较大，D50大部分在10um以上，压实一般较小，不利于电池能量密度的提升。而如何有效增加正极材料与电解液间的接触面积以及提高正极材料结构稳定，是提高电池使用寿命的关键。

合成出单晶三元正极材料的方法主要有共沉淀法，水热合成法，喷雾干燥法等，代表性专利有CN 106505193A，CN 104868122 A，CN 103840151 A。本专利采取共沉淀法和高温固相法，通过添加烧结助剂以及两次烧结得到纯度高、分散性好、晶形好且可控制的单晶正极材料。

本发明专利得到由一次颗粒生长长大得到完整的晶体颗粒，能够与电解液接触充分，提高材料的压实密度，缩短锂离子传输路径短，在锂离子电池充放电过程中提供了通畅的扩散和迁移三维通道，有利于提高电池的高比容量、循环稳定性以及高倍率性能。通过改变传统的合成方法得到较为完整的晶体结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶结构的三元正极材料及其制备方法，采取共沉淀法和高温固相法，通过添加烧结助剂以及两次烧结得到纯度高、分散性好、晶形好且可控制的单晶正极材料。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种单晶三元正极材料，该正极材料化学通式为： LiNi_xCo_yMn_1-x-y，其中，0.3<x<0.8，0.1<y<0.4。

作为对本发明的进一步说明，所述单晶三元正极材料的平均粒径为3-10μm。

本发明还提供了通过结合共沉淀法与高温固相法制备上述的单晶三元正极材料的具体方法，包括以下步骤：

步骤1：前驱体的合成；

以镍、钴、锰盐为原料，按照化学计量比称量后溶于去离子水配成1mol·L^-1的混合盐溶液，同时配制2mol·L^-1的碱性溶液，通过蠕动泵将盐溶液与碱溶液同时输入到反应容器中，加入一定浓度的络合剂混合均匀，调节反应容器温度在55℃±5℃，pH值在10.9-11.5，搅拌频率为18Hz，通入惰性气体不少于20分钟，调节碱溶液流速控制体系pH保持稳定，反应完成后，继续搅拌、加热、通惰性气体4h 后，静止陈化4-20h，使用去离子水洗涤抽滤3次后将得到的沉淀置于90℃的鼓风干燥箱充分干燥，研磨后得到镍钴锰氢氧化物前驱体；

步骤2：金属氧化物的合成；

将上述得到的镍钴锰氢氧化物前驱体与质量含量为0.2-1wt％的LiF烧结助剂混合均匀放入马弗炉中600-900℃经6h烧结后，研磨得到球状金属氧化物颗粒；

步骤3：单晶材料的合成；