[发明专利]一种稳定制备单晶高镍锂电池三元材料的方法

说明书

本发明属于锂电池领域，提供了一种稳定制备单晶高镍锂电池三元材料的方法，按照Ni:Co:Mn：Mg为6:2:1.5:0.5将Ni、Co、Mn、Mg的盐溶液混合，然后沉淀、喷雾干燥、研磨得到高镍三元前驱体；将高镍三元前驱体与石蜡封装的金属锂粉在真空搅拌装置中混合均匀，然后送入双阶式螺杆挤出机，第一阶螺杆挤出机热剪切使锂在180‑200℃熔融分散在前驱体中；连续通过第二阶螺杆，设置加氧泵、300℃高温，前驱体以熔融的锂为晶核快速生长成单晶雏形；进一步在富氧环境中，于隧道炉中在700‑850℃烧结得到单晶高镍三元材料。在剪切中分散并生长单晶，使得单晶粒径分布均匀，有效的克服了二次颗粒易碎导致的不稳定性。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体涉及一种稳定制备单晶高镍锂电池三元材料的方法。

背景技术

锂电池是一种以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的一次电池，与可充电电池锂离子电池跟锂离子聚合物电池是不一样的。锂电池的发明者是爱迪生。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着二十世纪末微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。锂电池通常分两大类：锂金属电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。虽然锂金属电池的能量密度高，理论上能达到3860瓦/公斤。但是由于其性质不够稳定而且不能充电，所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于 具有反复充电的能力，被作为主要的动力电池发展。但因为其配合不同的元素，组成的正极材料在各方面性能差异很大，导致业内对正极材料路线的纷争加大。通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池（三元镍钴锰）。

锂离子电池和传统的蓄电池比较起来，不但能量更高，放电能力更强，循环寿命更长，而且其储能效率能够超过90%,以上特点决定了锂离子电池在电动汽车、存储电源等方面极具发展前景。决定锂离子动力电池成本和性能的关键在于材料，锂离子动力电池的材料决定了电动汽车的发展路线和运行模式。因此，突破锂离子动力电池的瓶颈问题，关键在于材料问题的解决。

镍钴锰酸锂三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池正极材料，具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点。如果把镍钴锰酸锂三元材料中的镍含量提高可以获得更高的能量密度，是一种极佳的动力汽车用电池。但是，高镍三元材料由于制备时大颗粒和小颗粒中的镍、锂含量极不均匀，小颗粒含有更高的镍和锂，导致脱锂严重，结构极易破坏。目前高镍三元正极材料的形貌大多为一次颗粒团聚成，外观为二次球形形貌。因此在后续极片加工和循环工作时，二次颗粒极易受形变影响破损，使得包覆处理失效，加剧了活性材料的不稳定性，甚至加速了与电解液接触溶解。由于高镍三元材料在高电压下工作，二次粒子的碎化分离现象，造成内阻变大、电池容量衰减快、循环变差。为此，单晶型高电压三元材料在锂离子高效传递的同时，减小材料与电解液之间的溶解性，从而提高材料在高电压下的循环性能。目前单晶型高电压三元材料的获得主要是利用共沉淀法制备出三元材料前驱体，然后在高温固相的作用下，得到单晶。晶粒的生长受生长环境影响，缺陷较多，而且晶粒大小不易控制，工序控制复杂。

发明内容

现有高镍三元材料为二次颗粒，容易碎裂，致使包覆处理失效，加剧了活性材料的不稳定性，甚至加速了与电解液接触溶解。单晶三元是一种稳定性较好的材料，但现有直接高温固相烧结难以获得晶粒大小均匀、晶体完整的高镍三元，本发明的目的是提供一种稳定制备单晶高镍锂电池三元材料的方法，通过双阶式螺杆，将锂熔融分散与前驱体中并以此为晶核生长单晶三元材料，具有连续、生长快、工艺可控的特性；在剪切中分散并生长单晶，使得单晶粒径分布均匀，防止过大或过小晶粒的生成。有效的克服了二次颗粒易碎导致的不稳定性。

本发明涉及的具体技术方案如下：

一种稳定制备单晶高镍锂电池三元材料的方法，包括以下步骤：