[发明专利]一种浓度梯度镁掺杂高镍锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

一种浓度梯度镁掺杂高镍锂离子电池正极材料Li(Ni_1‑x‑yCo_xMg_y)O₂(0.05≤x≤0.10，0＜y≤0.05，0.85≤1‑x‑y＜0.95)及其制备方法。该制备方法首先将镍与钴盐按比例溶解于去离子水中得到镍钴溶液，将镁盐溶解于去离子水中得到富镁溶液，随后将富镁溶液注入去离子水中形成贫镁溶液，贫镁溶液与镍钴溶液、络合剂溶液、沉淀剂溶液并流加入共沉淀反应釜中进行反应，得到浓度梯度镁掺杂的镍钴氢氧化物前驱体。将前驱体与锂盐以一定比例混合，在管式炉中煅烧，得到浓度梯度的镍钴镁高镍正极材料。本发明实现了浓度梯度镁掺杂的镍钴镁高镍正极材料的可控制备，且操作简便，成本低廉，与现有工艺设备相容，具有大规模生产应用的良好前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种浓度梯度镁掺杂高镍锂离子电池正极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池作为目前广泛使用的可充电池体系，具有工作电压高、比能量大、重量轻、体积小、循环寿命长、无记忆效应、可快速充放电和环境污染小的特点，在各种3C消费电子产品及新能源动力汽车行业有着广泛的应用与巨大的市场。目前常见的正极材料主要是钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)和三元材料(NCM、NCA)等，随着人们对电池能量密度的要求越来越高，具有高能量密度的高镍正极材料逐渐成为人们研究的重点，高镍材料具有放电容量高、能量密度高、振实密度高和成本相对低的优势，但是依然存在循环稳定性差与热稳定性差的不足。

针对其问题，目前常用的改性方式有掺杂、包覆与浓度梯度结构设计等。中国专利(CN 10826997A)公开了一种三元镍钴锰掺杂不同元素的锂离子电池梯度正极材料及其制备，通过改变在沉淀过程中不同阶段掺杂元素的含量，提高了材料的倍率性能与循环性能；中国专利(CN 107799729A)公开了一种改性锂离子电池梯度正极材料镍钴锰前驱体及其制备方法，提高了正极材料的加工性能与振实密度；中国专利(CN 107785543A)公开了一种镍钴锰或镍钴铝梯度前驱体制备的方法，获得了振实密度高、球形度好、粒径分布均匀的正极材料。这些改进依然是建立在较多使用铝、钴和锰元素的基础上，不仅成本相对较高，而且也不利于构筑能量密度更高的锂离子电池正极材料。

随着人们对能量密度要求的提高，三元材料(NCM、NCA)逐渐走向高镍化(Ni＞0.6)，在提高能量密度的同时，材料的循环性能与稳定性下降，为实际应用带来挑战。采用浓度梯度结构设计依然是一种有效的改进手段，其中镍含量较高的内核提供较高容量，外层低镍含量减少表面的副反应，稳定表面结构，同时获得高容量与良好循环性能。然而，当NCM和NCA中镍含量达到0.9以上时，低含量的锰及铝较难发挥稳定结构的作用，采用浓度梯度的方式带来的改善效果不明显。

发明内容

本发明目的是解决当NCM和NCA中镍含量达到0.9以上时，低含量的锰及铝较难发挥稳定结构作用的问题，将浓度梯度的改性手法引入镍钴镁正极材料中，提供一种浓度梯度镁掺杂镍钴氢氧化物前驱体及高镍锂离子电池正极材料的制备方法，提高材料的循环性能与热稳定性，所述方法具有球形度好、粒径分布较窄、工艺简单、成本低廉的特点。

本发明采用掺杂效应更显著的镁元素替代锰或铝，通过浓度梯度镁掺杂的方式制备镍钴镁氢氧化物前驱体，以改善掺杂元素过低带来的提升效果不彰的情况。本发明提供的浓度梯度镍钴镁高镍正极材料，解决了溶度积差异较大的镍钴镁三种元素在碱性环境中不易均匀沉淀的问题，通过进料浓度梯度变化设计，实现具有高比容量和优异循环稳定性的镍钴镁正极材料制备。

为达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：