[发明专利]一种Al、Zr共掺杂的超高镍三元单晶材料的简便制备方法

说明书

本发明公开了一种Al、Zr共掺杂的超高镍三元单晶材料的简便制备方法，本发明通过采用硝酸盐，有机络合剂与硝酸铵混合体系的低温燃烧反应，实现了超高镍三元单晶材料的制备与Al、Zr元素的原位共掺杂，与现有的制备高镍层状正极材料的方法相比，本发明方法操作简单，引燃温度低，并且大量氧化剂硝酸铵的使用促进了燃烧反应的进行，可以避免前驱体低温段的预烧处理，节约能耗，并且剧烈的燃烧反应和高温煅烧使单晶材料晶体生长充分，结构稳定性强，综合改善了超高镍三元正极材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，特别是涉及一种Al、Zr共掺杂的超高镍三元单晶材料的简便制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种高效的能量转换与储存装置，已被广泛应用于各种便携式电子设备，新能源汽车和大型储能电站。然而，近年来电动汽车的快速发展对锂离子电池能量密度提出了更高的要求，而正极材料是影响及制约其能量密度的关键因素。因此，迫切需要开发一种成本低、能量密度高、安全性好的新型正极材料，从而提高锂离子电池的电化学性能。

高镍层状正极材料，尤其是超高镍三元材料LiNi_xCo_yMn_zO₂ (0.95≤x≤1)在2.8~4.25V(vs.Li+/Li)稳定的电压窗口内可以贡献~220mAh/g的高比容量和较高的电压平台(3.8Vvs.Li+/Li)，并且具有低钴含量和环境友好等优势，成为颇有前景的下一代高比能锂离子电池正极材料。然而极高的镍含量使材料面临着不易可控制备、结构稳定性、循环性能、安全性较差等问题。其中，以材料循环过程中微裂纹的诱发和扩展所引发的一系列问题尤为突出，主要是由于H2→H3相变导致的各向异性应力主要集中在晶界处，导致晶间开裂，进而诱发电解质的浸入，界面副反应导致电荷转移阻抗的增加，阻碍了锂离子的扩散。单晶超高镍层状正极材料具有微米级的一次颗粒，可以在高压实或循环过程中减缓裂纹的形成，保持形貌和结构的完整性，减少了界面副反应和气体的生成，提高了电极的电化学特性和安全性能。然而，超高镍层状材料相较低镍材料的晶粒生长温度更低，而表面稳定性和结构稳定性更差，制备工艺要求更加严苛，因此，需要开发新型制备工艺合成超高镍三元单晶材料，并结合原位掺杂改性优化超其结构稳定性，提高其电化学性能。

如在中国专利中（公布号为CN112310389A）公开了一种采用前驱体、锂盐以及氧化物或氢氧化物添加剂混合，然后高温煅烧制备高镍单晶正极材料，该方法采用的固相混合使掺杂元素添加剂在高镍材料表面点状分布，很难实现均匀掺杂，并且前驱体材料的制备流程冗杂，工艺变量控制条件苛刻；在中国专利中（公布号为CN107403903A）公开了谷氨酸和氟化钠体系溶胶凝胶自蔓延燃烧法制备高镍层状正极材料，然而催化剂氟化钠对燃烧反应的促进作用有限，所得前驱体仍需要低温段预烧处理，同时使得产物导入杂质元素Na+，不利于产品质量控制，而在中国专利中（公布号为CN109167039A）公开了通过自蔓延法制备了纳微级核壳三元正极材料，其不足之处在于所选用的还原剂与金属离子之间的自鳌合作用并不充分，容易造成元素的偏析，且燃烧反应所需较高温度下才能引发；在中国专利公布号为CN103682311B和CN107482216B的专利通过自蔓延法制备氧化物正极材料，所需要的引燃温度均在500℃左右，且所合成的材料为团聚体或纳米级粉体。

现有的超高镍三元单晶正极材料在制备时，其过程过于复杂和原位掺杂，为此我们提出了一种Al、Zr共掺杂的超高镍三元单晶材料的简便制备方法解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种Al、Zr共掺杂的超高镍三元单晶材料的简便制备方法，避免了超高镍三元单晶正极材料的制备时过于复杂和其原位掺杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种Al、Zr共掺杂的超高镍三元单晶材料的简便制备方法，包括以下步骤：

S1、将硝酸锂、硝酸镍、硝酸钴、硝酸锰、硝酸铝、硝酸锆、有机络合剂和硝酸铵用去离子水配成一定浓度的均匀混合液，加入氨水调节pH值至中性。