[发明专利]一种无钴三元正极材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种无钴三元正极材料、其制备方法及应用，所述的无钴三元正极材料为核壳结构，包括内核以及包覆于内核表面的外壳，所述内核为镍锰铝酸锂，所述外壳为镍镁铝酸锂。通过在镍锰铝酸锂内核外表面包裹镍镁铝酸锂，有效地控制表面元素组成，从而提高了正极材料的倍率性能和循环稳定性，同时在镍锰铝酸锂内核表面引入镁元素，镍的减少和镁的增多，提高了倍率性能，表面构建的镍镁铝酸锂，有效地隔绝了锰元素与电解液的接触，减少了锰元素从正极的溶出，从而提高了循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，涉及一种无钴三元正极材料、其制备方法及应用。

背景技术

气候变化、能源和环境问题是人类社会共同面对的长期问题。交通运输领域的温室气体排放、能源消耗和尾气排放三大问题直接影响人类共同问题能否有效解决。目前，全球主要汽车制造商及其上下游共同行动起来，加速推动全球汽车工业产业化结构升级和动力系统的电动化战略转型。而锂离子电池是电动汽车中最核心的部件，由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成。其中，正极材料的各项性能直接关系到电池的使用场景和使用寿命。

目前中高端电动汽车配套的动力电池的正极材料主要是镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂三元正极材料，以上两种正极材料都包含“钴”这一过渡金属元素，且钴含量较高，而钴资源的储量有限，分布不平衡，价格昂贵，钴粉价格接近30万/吨，导致三元正极材料的成本居高不下。为推动新能源汽车健康快速发展，推动电动汽车市场平民化，需进一步降低动力电池的成本，而降低正极材料的成本是其中主要方向之一。因此，有必要开发低钴或无钴的正极材料，但当前的低钴或无钴的正极材料的倍率较差、循环性能较差、存储性能较差。

CN112510181A公开了一种复合正极材料，包括镍锰铝酸锂正极材料、钴酸锂层和金属氟化物层，所述钴酸锂层包覆在所述镍锰铝酸锂正极材料的表面上，所述金属氟化物层包覆在所述钴酸锂层的表面上。其制备方法包括以下步骤：将镍锰铝酸锂正极材料、锂源、钴源的混合水溶液进行喷雾干燥，得到第一混合物；将所述第一混合物进行烧结，得到表面包覆有钴酸锂层的镍锰铝酸锂正极材料；将所述表面包覆有钴酸锂层的镍锰铝酸锂正极材料、金属源、氟源的混合水溶液进行搅拌，然后干燥，得到第二混合物；将所述第二混合物进行烧结，得到表面依次包覆有钴酸锂层和金属氟化物层的镍锰铝酸锂正极材料的复合正极材料。

CN102054976A公开了属于锂离子电池正极材料制备技术领域的一种锂离子电池正极材料的制备方法，该锂离子电池正极材料为镍锰铝酸锂三组分正极材料，其化学式为LiNi_0.5-xMn_0.5-xAl_2xO₂，其中x＝0.01～0.075，采用完全共沉淀法，将镍、锰、铝三组份同时沉淀出来从而达到三种元素在分子水平上的均匀混合。

CN113060775A公开了一种无钴正极材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将钛酸锂和金属源混合，一次烧结处理后加入碳源，经二次烧结处理得到碳包覆-金属掺杂型钛酸锂添加剂；(2)将锂源和Ni_xMn_y(OH)₂混合，经高温处理得到基体材料；(3)将步骤(1)得到的碳包覆-金属掺杂型钛酸锂添加剂和步骤(2)得到的基体材料混合后进行热处理得到所述无钴正极材料。

三元材料镍镁锰酸锂(NCM)具有较高的比容量和较高的工作电压，是最有市场竞争力的正极材料。镍含量越高，材料的比容量越高，越能满足电动汽车高续航里程的要求。因此，高镍三元材料的开发和应用直接关系到汽车电动化的进程。但是，高镍NCM依然存在着以下问题：钴元素价格昂贵、镍元素的表面偏析、表面残碱高、锰元素的溶出。其中，镁元素价格昂贵导致NCM成本升高，镍元素的表面偏析会降低NCM的大倍率放电，表面残碱导致的胀气会降低整个电池的安全系数，而锰元素的溶出会沉积在负极而影响整个电池的循环寿命。因此，同时解决这四个问题，可以获得一款低成本、高倍率、高循环的正极材料。

发明内容