[发明专利]具有核壳结构的三元正极材料前驱体及其制备方法、自动控制进料系统和应用

说明书

本发明涉及一种具有核壳结构的三元正极材料前驱体及其制备方法、自动控制进料系统和应用。该制备方法包括：将络合剂、碱性沉淀剂和三种金属盐混合，反应，依次历经制核反应阶段和制壳反应阶段；通过建立共沉淀反应中碱性沉淀剂的流速和反应体系酸碱度之间的响应关系，实现了反应体系内酸碱度的相对稳定。同时，通过设置制核反应阶段和制壳反应阶段两个不同的pH值以期实现核壳前驱体的制备，并达到控制核壳材料微观结构的目的。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种具有核壳结构的三元正极材料前驱体及其制备方法、自动控制进料系统和应用。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池(可充电电池)，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。

随着镍含量提高，三元正极材料比容量逐渐升高，但循环性能和安全性能也相应恶化，表面包覆可以有效抑制高镍材料与电解液的副反应，提升材料循环稳定性，但包覆材料通常为无电化学活性的惰性材料，结晶度低，且晶体结构不匹配，附着强度低及包覆不完整。并且，若包覆层过薄，材料性能改善不明显；若包覆层过厚，材料比容量损失较多，循环多次后，造成膜的脱落。如果包覆同结构的正极材料，覆层厚度较大且完整包覆在颗粒外部形成核壳型结构则有可能抑制上述缺陷。核壳结构三元正极材料通常由高比容量的内核与高稳定性的外壳组成，内核和外壳均具有电化学活性，兼具了比容量高与循环稳定性好等优点。

共沉淀-高温烧结法是制备三元正极材料的主流工艺，即先通过共沉淀法合成三元正极材料前驱体，再将前驱体混合锂盐后高温烧结而成，故决定三元正极材料的核心在于其前驱体。镍钴锰三元正极材料前驱体的主要成分为镍钴锰氢氧化物Ni_xCo_yMn_z(OH)₂(x+y+z＝1)，其一般是采用镍盐、钴盐、锰盐为原料，氨水为络合剂，氢氧化钠为沉淀剂，通过控制pH、温度、搅拌速率等关键参数在反应釜内共沉淀结晶形成。镍钴铝三元正极材料前驱体的主要成分为镍钴铝氢氧化物Ni_xCo_yAl_z(OH)₂(x+y+z＝1)，其前驱体一般是采用镍盐、钴盐、铝盐为原料，氨水为络合剂，氢氧化钠为沉淀剂，通过控制pH、温度、搅拌速率等关键参数在反应釜内共沉淀结晶形成。

据研究，材料的微观结构不同，则材料的电化学性能完全不同，因此构建特定形貌的前驱体颗粒是目前研发的一大方向。而反应体系酸碱度的变化对材料的微观结构具有重要的影响，影响体系酸碱度的因素非常多，如何稳定具有核壳结构的三元正极材料前驱体反应体系的酸碱度以达到调节材料核体和壳层微观结构的目的，是目前亟需解决的难题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种稳定三元正极材料前驱体反应体系酸碱度的方法。

技术方案如下：

一种具有核壳结构的三元正极材料前驱体的制备方法，包括如下步骤：

将络合剂、碱性沉淀剂和三种金属盐混合，反应，历经制核反应阶段和制壳反应阶段制得所述具有核壳结构的三元正极材料前驱体；