[发明专利]三元正极材料及其制备方法、锂离子电池和电动汽车

说明书

本发明涉及三元正极材料领域，公开了一种三元正极材料及其制备方法、锂离子电池和电动汽车。所述三元正极材料包括微米级的LiNi_{1‑x‑y‑z}Co_xMn_yM_zO₂单晶颗粒结构，式中0.6≤1‑x‑y‑z<1.0，0<x＜0.2，0<y＜0.3，0<z<0.1；所述单晶颗粒结构包括中心区域和表层区域，所述中心区域各元素的摩尔比满足Ni∶Co∶Mn∶M＝a1∶x1∶y1∶z1，所述表层区域各元素的摩尔比满足Ni∶Co∶Mn∶M＝a2∶x2∶y2∶z2。本发明的正极材料中镍元素在中心区域的含量大于镍元素在表层区域的含量，在获得高能量密度正极材料的同时，还能够保持材料的稳定性能，进而提高电池的安全性能。

技术领域

本发明涉及三元正极材料，具体涉及一种三元正极材料及其制备方法、锂离子电池和电动汽车。

背景技术

目前，市场应用最多的动力电池正极材料是由一次颗粒团聚成的二次球结构的三元镍钴锰(NCM)或镍钴铝(NCA)材料。这种由一次颗粒团聚而成的二次球形貌的材料由于其本征结构强度低，在较高的压实密度下二次球结构容易破碎，从而使内部颗粒裸露，与电解液接触易发生副反应，从而导致过渡金属的溶出造成循环衰减等诸多问题；此外，二次球结构的正极材料表面粗糙，在充放电过程中易造成充放电电流局部不均匀，从而出现电极材料局部过充或过放现象，使得动力电池组中的单体电池一致性变差，进而影响电池的循环寿命；再之，三元二次球正极材料，尤其是高镍三元材料，其表面pH值偏高，不仅会使得混料的浆料容易胶体化，而且容易造成高温胀气或存储胀气等问题。

为解决上述技术问题，研究人员提出了合成制备单晶颗粒性能微米级单晶颗粒三元正极材料。该种单晶形貌的正极材料具有较高的结构强度，能够有效提高正极极片的压实密度；而且其比表面积较小，表面光滑，与电解液接触面积小，有效控制较低副反应发生的数量；另外，单晶形貌的正极材料表面pH值较低，能够有效解决胀气等问题。然而，这种单晶形貌的正极材料仍然存在不足之处需要解决，如放电容量比二次球形貌正极材料低，倍率性能较差等。

例如，现有技术CN106159251A公开一种类单晶锂电池三元正极材料及其制备方法，所述正极材料的化学式为：LiNi_1-x-y-zCo_xMn_yM_zO₂，其中0＜x≤0.65，0＜y≤0.3，0≤z≤0.05，M为Mg、Ca、Ti、Zn、Cr、Fe、Zr、Co、Cu、Ru中的一种或多种；该正极材料的制备方法包括以下步骤：1)前驱体的合成；2)混料：混料过程中加入助熔剂；3)烧结等。该申请专利通过加入助熔剂的方式降低烧结类单晶三元正极材料的烧结温度，但是在该专利申请中助熔剂烧结用量较低，难以实现降低类单晶烧结温度的目的；另外，该专利申请中未能解决高镍材料在高SOC下晶型结构不稳定，热稳定性差的问题。

CN107311242A公开了一种锂离子电池用大单晶层状正极材料改进的制备方法，包括：首先将Co-Mn前驱体与锂源混合，其中锂元素与过渡金属元素的摩尔比在0-1之间，高温煅烧，此时由于锂元素不足而形成尖晶石相，尖晶石相有助于一次晶粒的融合与生长，得到微米级尺寸较大的复合相一次晶粒或纯相一次晶粒；然后向上述制备的一次晶粒中补充化学计量比的锂源和镍源，使得镍元素与钴锰元素的摩尔比Ni/Co/Mn＝(1-x-y)/x/y，锂元素与过渡金属元素的摩尔比Li/Ni-Co-Mn＝(1+z)/(1-z)～(1+z)/(1-z)+0.05，在高温下煅烧中锂离子和镍离子的扩散引发固相反应，即得到锂离子电池用大单晶层状正极材料。但是该申请专利中通过烧结Co-Mn尖晶石后再进行补充镍源和锂源时，镍元素较难均匀分布于大单晶材料中，从而循环稳定性、倍率性能较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的三元材料放电容量低，压实密度低、高镍材料热稳定性和倍率性能差等问题，提供一种三元正极材料及其制备方法，在此基础上，还提供一种锂离子电池和电动汽车。