CN112342605A - 一种低成本低钴单晶三元正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本低钴单晶镍钴锰三元正极材料及其制备方法，将一定化学计量比的镍源、氧化钴、氧化锰、锂源及M掺杂剂加入研磨机内湿法研磨，研磨至不溶物粒度≤0.5μm的浆液，进行喷雾干燥，得到一种节能低成本低钴含锂三元前驱体A。将A高温富氧烧结，粉碎处理后得高分散单晶三元材料基体B；将B干法包覆X，低温空气气氛固相烧结、粉碎处理，即得一种低成本低钴单晶正极材料；本发明制造过程绿色环保、避免了前驱体制备及产品烧结过程污染物排放，操作工艺简单可控，成本低。且同时实现双掺杂与表面包覆，既稳定材料的结构，又有利于提高产品表面锂离子的迁移速度，降低产品表面残碱。该材料容量高，循环和高温性安全性良好。

Description

一种低成本低钴单晶三元正极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及一种低成本低钴单晶镍钴锰三元正极材料制备方法。
背景技术：
随着国家对新能源汽车政策补贴退坡、国际锂钴资源竞争加剧及新能源汽车续航里程要求不断提高，国内外锂电企业的成本压力也在快速升温加剧，锂电正极材料占锂离子原材料成本接近60％，因此高性能，低成本正极材料成为锂电行业关注热点。低钴高镍三元材料由于其具备高容量、安全好、价格低廉等得到了研究者青睐。
另外，单晶低钴高镍三元正极材料与普通二次球形三元材料相比，一次球颗粒较大，在锂电池极片制备过程中粉体颗粒不会碎裂，不会形成新的界面，不会导致锂电池性能的弱化；且压实密度高，极片加工性能好、优异的电性能和安全性能，将成为未来几年三元动力材料的一个发展趋势，有望成为正极材料后期发展的方向之一。因此，开发一种低成本低钴高镍单晶三元正极材料成为锂电市场发展趋势。
目前行业人员普遍采用共沉淀法制备小颗粒前驱体，与氢氧化锂混合，多次烧结制备单晶三元正极材料。一方面，共沉淀法制备小颗粒前驱体需要花费约25％制造成本去处理废液排放问题。另一方面，低钴单晶三元产品因使用氢氧化锂，配料、烧结过程中会产生大量刺激性强碱废固气，不仅影响环境，还需要相应废固气处理设备，且烧结条件苛刻，烧结能耗高等问题。
发明内容：
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低成本低钴单晶三元正极材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低成本低钴单晶三元正极材料制备方法，包括以下步骤：
1)将一定化学计量比例的氧化钴、氧化锰、醋酸镍和氧化镍、锂源及M摻杂剂按易溶，难溶、不溶的顺序加入研磨机内湿法研磨，研磨至不溶物粒度≤0.5μm的浆液，进行喷雾干燥，得到一种节能低成本低钴含锂三元前驱体A。
2)将A通过气流粉碎后，在一定氧含量的气氛炉内700～1000℃烧结8～20h，破碎、分散、过筛处理后即得高分散单晶三元材料基体B；
3)将B与包覆剂X按1:(0.001～0.1)摩尔比例称取并且加入高速混料机中混合，即得混合物料C；
4)低温烧结:将物料C在温度100～600℃的空气气氛炉中烧结3～20h，进行粉碎、过筛处理，即得目标产物。
在一个或多个实施例中，步骤1)将一定化学计量比的镍源、氧化钴、氧化锰、锂源及M掺杂剂指的是，Ni：Co：Mn：Li：M氧化物的摩尔比为a:b:c:y:x，其中y的范围为1.0～1.1，x的范围为0～0.05。
在一个或多个实施例中，步骤1)中的氧化钴为CoO2、Co2O3、Co3O4中的至少一种，氧化锰为为Mn3O4、Mn2O3、MnO2、MnO中的至少一种，氧化镍为NiO、NiO2、Ni2O3、Ni3O4中的至少一种，且镍、钴、锰氧化物及氧化锂均为微米级颗粒，粒度为0.5～10μm。
在一个或多个实施例中，步骤1)中的锂源为氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂及各类锂盐的至少一种或几种任意比例的混合物；
在一个或多个实施例中，步骤(1)所述的喷雾干燥温度为200～700℃。
在一个或多个实施例中，步骤(1)中的M掺杂剂指Mg、Al、Ti、Zr、B、Ta、Sr、Nb、Mo、F元素的化合物两种或以上。
在一个或多个实施例中，步骤(3)X包覆剂指的是纳米级的金属过氧化物的一种或几种，如过氧化镁，过氧化锶等。
本发明主要有以下优点：
与现在技术相比，首先本发明采用的氧化钴、氧化锰、混合镍源、锂源及掺杂剂湿法混合研磨，喷雾干燥制备得到含锂的三元前驱体，既避免了共沉淀法制备前驱体过程废液排放处理问题，又减少了低钴高镍原材料混合工序；其次在烧结过程中无刺激性废气产生，可降低烧结能耗及无需废气处理相应设备。最后，本发明兼顾掺杂和包覆，单晶材料具备具有良好的化学稳定性，采用过氧化物包覆，低温烧结可形成富氧气氛，实现三元材料表面低残碱控制，减少副反应发生，提高了电池正极材料的倍率性能和循环性能。该发明制备工艺相对简单，制造成本低，设备要求低，具有良好应用前景。
附图说明：
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明。
图1是本发明一实施例中一种低成本低钴单晶三元正极材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式：
本发明提出的一种低成本低钴单晶三元正极材料，通过将原材料湿法研磨，喷雾干燥、粉碎的方式制备小颗粒含锂前驱体，直接进行烧结、破碎，干法包覆，二次烧结实现低成本制备方式。通过以下具体实例对本发明作进一步详细阐明。
实施例一
一种低成本LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2单晶三元正极材料及其制备方法，包括以下步骤：
1)含锂前驱体A的制备
首先按化学计量比例依次称取0.05mol Co3O4、0.295mol MnO、0.5mol NiO、0.05mol醋酸镍、1.03mol碳酸锂和0.02mol磷酸二氢锂及0.001mol Y2O3，按易溶，难容、不溶的顺序依次加入研磨机中进行粗、细研磨，控制去离子水固含量为35％，研磨至不溶物粒度≤0.5μm，320℃进行喷雾干燥，即得含锂三元前驱体A。
2)高分散性单晶三元材料B的制备
将粉碎后含锂前驱体A物料进行一次烧结，在950℃空气中烧结12小时，经破碎、过300目筛后，最终得到高分散性55单晶三元材料B。
3)干法包覆
将高分散性55单晶三元材料B与纳米级过氧化锶按1:0.002质量比例称取并且加入高速混料机中混合，即得混合物料C；
(4)低温烧结:
将物料C在温度600℃的空气气氛炉中烧结12h，进行粉碎、过筛、除铁处理，所得即为目标产物1。
实施例二
一种低成本LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2单晶三元正极材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)含锂前驱体A的制备
首先按化学计量比例依次称取0.7molNiO、0.04molCo3O4、0.05molMnO、0.13mol醋酸镍、1.02mol氢氧化锂和0.025磷酸二氢锂及0.002molZrO2，按易溶，难容、不溶的顺序依次加入研磨机中进行粗、细研磨，控制去离子水固含量为35％，研磨至不溶物粒度≤0.5μm，260℃进行喷雾干燥，即得含量三元前驱体A。.
(2)高分散性单晶三元材料B的制备
将粉碎后的含锂前驱体物A料进行一次烧结，在830℃氧气气氛烧结12小时，经破碎、过300目筛后，最终得到高分散性83单晶三元材料B。
(3)干法包覆
将高分散性83单晶三元材料B与过氧化镁按1:0.004质量比例称取并且加入高速混料机中混合，即得混合物料C；
(4)低温烧结:
将物料C在温度530℃的空气气氛炉中烧结12h，进行粉碎、过筛处理，所得即为目标产物2。
对比例一
一种常规LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2单晶三元正极材料及其制备方法，包括以下步骤：
将D50为3.0μm前驱体Ni0.55Co0.15Mn0.3(OH)2：碳酸锂：Y2O3按1：1.05：0.001摩尔比混合，在空气气氛中950℃烧结12小时，经破碎、过300目筛后，最终得到高分散性55单晶三元材料BQ。
将高分散性55单晶三元材料BQ与过氧化锶按1:0.002质量比例称取并且加入高速混料机中混合，在温度600℃的空气气氛炉中烧结12h，进行粉碎、过筛处理，所得即为对比样品1。
对比例二
一种常规LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2单晶三元正极材料及其制备方法，包括以下步骤：
将D50为3.0μm前驱体Ni0.83Co0.12Mn0.05(OH)2、氢氧化锂与ZrO2按1：1.05：0.002摩尔比混合，在氧气气氛中830℃烧结12小时，经破碎、过300目筛后，最终得到高分散性83单晶三元材料BQ。
将高分散性83单晶三元材料BQ与过氧化镁按1:0.004质量比例称取并且加入高速混料机中混合，在温度550℃的空气气氛炉中烧结12h，进行粉碎、过筛处理，所得即为对比样品2。
三元正极材料性能测试:
将实施例1、2提供的单晶三元正极材料和对比例1、2提供的三元正极材料进行下述表1中的残碱及扣电(3.0～4.3V)特征测试，测试结果如下表1所示：
表1实施例与对比例样品残碱及电性能数据对比表
Figure BDA0002675914080000071
Figure BDA0002675914080000081
由表1两种实施例和对比例实验数据可知，两种实施例残碱较对比例残碱有明显降低，且电化学性能相当。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低成本低钴单晶三元正极材料，其特征在于，化学表达式为：Li(NiaCobMnc)1- xMxO2；其中0.5≤a≤0.95，0≤b≤0.2，且a+b+c＝1-x，0＜x≤0.05。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
1)将一定化学计量比例的镍源、氧化钴、氧化锰、锂源及M掺杂剂按易溶，难溶、不溶的顺序加入研磨机内湿法研磨，研磨至不溶物粒度≤0.5μm的浆料，在一定温度下进行喷雾干燥，得到一种节能低成本低钴三元正极材料前驱体A；
2)将A通过气流粉碎后，在一定富氧气氛炉内700～1000℃烧结8～20h，破碎、分散、过筛处理后即得高分散单晶三元材料基体B；
3)将B与包覆剂X按1:(0.001～0.1)摩尔比例称取并且加入高速混料机中混合，即得混合物料C；
4)低温烧结:将物料C在温度100～700℃的空气气氛炉中烧结3～20h，300目过筛、除铁处理，所得即为目标产物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)将一定化学计量比的镍源、氧化钴、氧化锰、锂源、M掺杂剂指的是，Ni：Co：Mn：Li：M掺杂剂的摩尔比为a:b:c:y:x其中y的范围为1.0～1.1，x的范围为0～0.05。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的氧化钴为Co3O4、CoO2、Co2O3中的至少一种，氧化锰为MnO、Mn3O4、MnO2、Mn2O3中的至少一种，氧化镍为NiO、Ni3O4、NiO2、Ni2O3中的至少一种，且镍、钴、锰氧化物及氧化锂为微米级颗粒，粒度为0.5～10μm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的锂源为氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂与磷酸二氢锂按一定比例的混合物。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中镍源为可任意比例混合的氧化镍与醋酸镍，且满足浆液的pH值控制在7～11之间。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的喷雾干燥温度为200～700℃。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的湿法研磨的溶剂为去离子，其去离子水用量通过控制浆液固含量为10～50％控制。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中的M掺杂剂指Mg、Al、Ti、Zr、B、Y、Sr、Nb、Mo、F元素的化合物两种或以上。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)X包覆剂指的是纳米级的金属过氧化物的一种或几种，优选过氧化镁或过氧化锶。
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