[发明专利]一种正极材料前驱体及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种正极材料前驱体及其制备方法和用途，通过将盐溶液、碱溶液和氨溶液进行三阶段共沉淀反应得到产物，每一阶段段共沉淀反应均包括在较高pH条件下进行籽晶生成的过程和在较低pH条件下进行的晶粒匀速生长过程；将所述产物经陈化、洗涤、烘干得到正极材料前驱体。本发明中得到大小二次球颗粒混掺的前驱体材料，其中小颗粒填充于大颗粒之间八面体空隙与四面体空隙，符合材料的紧密堆积要求。相比常规三元前驱体材料，所述材料具有提高的振实密度，达到2.2~2.5 g/cc，更易满足目前对于锂离子电池高能量密度的要求。本发明工艺简单，产能可控，易于大规模生产应用。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种正极材料前驱体及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。随着社会经济的高速发展，开发、利用新能源越来越迫切，其中，新型锂离子电池属于清洁能源，其具有安全性、高循环性、长寿命以及环境友好等优点，被视为最有效的电化学储能系统之一。

正极、负极、隔膜、电解液作为锂离子电池的四大关键材料，其中，锂离子电池的能量密度主要取决于正极材料的能量密度。目前三元材料LiNi_xCo_yMn_zO₂(NCM)或LiNi_xCo_yAl_zO₂(NCA)是应用和研究最为广泛的正极材料之一，而前驱体作为三元材料的核心，其颗粒尺寸、粒径分布、表面形貌等理化性质直接决定了材料的性能。

现有商用的三元材料前驱体一般为D50粒度在8-12μm左右的球形颗粒，其中部分类型的前驱体为窄粒径分布、颗粒尺寸均一的材料，此外还有粒径分布较宽、大小颗粒混掺的前驱体产品，后者具有相对较高的振实密度。从微观角度看，半径为R的等径圆球密堆积时，中间充斥着四面体以及八面体间隙，每个圆球平均分摊到两个四面体空隙和一个八面体空隙，其中四面体空隙中可容纳半径最大为0.225R的小球颗粒，而八面体空隙中则可以容纳半径最大为0.414R的小球颗粒。因此若设计具有特定粒径分布的前驱体材料，在紧密堆积的大颗粒间隙中均匀地填满小球颗粒，可使材料具有更高的振实密度。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种正极材料前驱体及其制备方法和用途，通过三段共沉淀反应，在共沉淀反应过程中，在特定较高pH生成细小、尺寸确定的籽晶颗粒，在特定较低pH中使颗粒按照相应的速度生成，从而通过控制对不同反应条件、反应时间和进料流速的调控，直接一步法获得振实密度高的正极材料前驱体，解决了现有的商用三元正极材料前驱体振实密度低，无法满足锂离子电池正极材料高能量密度的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种正极材料前驱体的制备方法，包括以下步骤：

S1、将镍源、钴源和锰源溶于去离子水中制成盐溶液，再分别配置碱溶液、氨溶液和酸溶液备用；向反应容器中加入所述氨溶液，并将反应容器中所述氨溶液的浓度调整至7-15g/L，然后搅拌、加热至50-60℃后去除溶解氧；

S2、向所述反应容器中同时加入所述盐溶液、所述碱溶液和所述氨溶液进行三阶段共沉淀反应得到产物，每一阶段段共沉淀反应均包括在第一pH条件下进行籽晶生成的过程和在第二pH条件下进行的晶粒匀速生长过程，其中，所述第一pH在11.7-12.5之间，所述第二pH在10.6-11.4之间；

S3、将所述产物经陈化、洗涤、烘干得到正极材料前驱体。

进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：