[发明专利]三元正极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明提供了一种三元正极材料及其制备方法和锂离子电池。所述制备方法包括：提供混合粉料，所述混合粉料包括混合的三元前驱体和锂源；对所述混合粉料用等离子体焰流进行热处理，得到基体粉料，即为所述三元材料。本发明提供的制备方法利用等离子体的高活性、高热效率以及独特的热处理方式简化了现有工艺，缩短烧结时间与冷却时间，降低了成本，提高了生产效率。所述制备方法得到的三元正极材料为球形单分散的单晶三元正极材料，循环性能优异。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，涉及正极材料及其制备方法和锂离子电池，尤其涉及一种三元正极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

随着新能源汽车的市场不断扩大，带动了锂离子电池行业的快速发展，在锂离子电池的组成中，正极材料占有非常重要的地位，是决定锂离子电池性能的重要部分。目前商品化的锂离子电池正极材料主要为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰酸锂等，其中镍钴锰酸锂三元正极材料结合了钴酸锂、锰酸锂和镍酸锂三者的优点，具有优秀的电化学性能，是人们研究的热点材料之一。随着新能源汽车对电池能量密度的要求越来越高，对电池的安全性能越来越关注，高镍低钴化的三元单晶正极材料是离子电池正极材料发展的重要方向。

目前商业化的三元正极材料主要采用共沉淀-高温固相法来制备，即首先通过共沉淀法制得前驱体，然后与锂盐混合烧结，最终制得相应的三元正极材料，其颗粒通常为若干几百纳米的一次粒子组成的微米级球形二次颗粒。

该二次颗粒随着电池充放电次数的增加，尤其在高电压下，一次粒子之间的界面极易产生微裂纹或粉化，从而导致电池循环性能和安全性能恶化。在对电池的制造过程中，对正极片进行辊压时，三元材料二次颗粒容易被压碎，会增加材料与电解液之间的副反应，使材料的电性能和安全性能恶化。在电池充放电过程中，锂离子在正极材料中的脱嵌会使材料的体积发生变化，随着循环次数的增加，二次粒子或团聚态单晶后期可能会出现一次粒子界面粉化或团聚态单晶分离的现象，造成内阻变大、电池容量迅速衰减、循环性能变差等问题。单晶正极材料是一次粒子，在辊压时颗粒不易被压碎，循环过程中不会出现界面裂纹甚至粉化的问题，电解液之间的副反应较多晶材料少，拥有更好的循环性能和安全性能。

目前单晶三元材料主要是通过添加烧结助剂、分段式烧结等方法来制备，且由于烧结方式的限制，材料烧结时间长、生产成本高，烧结后需要进行破碎处理，生产工序繁杂，而且破碎后材料的形貌不规则、颗粒之间团聚严重，不利于后续包覆改性处理，材料循环性能差。

CN108461748A公布了一种锂离子电池类单晶正极材料的制备方法，将三元前驱体、锂源、掺杂剂混合后进行烧结，破碎后再使用射频等离子球化系统进行超高温热处理，再次破碎后进行包覆热处理得到单晶正极材料。但是该方案需要进行多次烧结，材料烧结时间长、生产成本高，烧结后需要进行破碎处理，生产工序繁杂。

CN106159251A先将前驱体与助熔剂混合烧结得到类球形前驱体氧化物，然后进行锂化烧结，分散后再次进行热处理得到分散性较好的单一单晶正极材料。该方案同样需要进行多次烧结和破碎，材料循环性能差。

CN104979546A则是前驱体与锂盐混合过程中加入助熔剂，烧结过程中使前驱体和锂盐处在一个温度较低的熔融的环境中，打破前驱体团聚限制，最终生长成具有单晶形貌的正极材料。该方案也需要三次烧结，烧结后需要进行破碎处理，生产工序繁杂，而且破碎后材料的形貌不规则、颗粒之间团聚严重，不利于后续包覆改性处理，材料循环性能差。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种三元正极材料及其制备方法和锂离子电池。本发明提供的制备方法利用等离子体的高活性、高热效率以及独特的热处理方式简化了现有工艺，缩短烧结时间与冷却时间，降低了成本，且得到的产品循环性能优异。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种三元正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：