三元正极材料及其制备方法以及锂离子电池技术

本发明专利技术涉及锂电材料技术领域，公开了三元正极材料及其制备方法以及锂离子电池。三元正极材料的制备方法，包括：将三元前驱体与钾源混合均匀后于300~600℃下加热3~5h得到掺钾前驱体；将掺钾前驱体与锂源混合均匀后于700~1000℃下加热8~12h；锂源中锂元素和钾源中钾元素之和与三元前驱体中金属元素含量之和的摩尔比为1~1.1:1，锂源中锂元素和钾源中钾元素的摩尔比为90~99.5:0.5~10。三元正极材料，采用上述制备方法制得。锂离子电池，其正极的制备原料包括上述三元正极材料。本申请提供的方法制得的三元正极材料，具有较高的倍率性能和充放电容量，且制备成本低，适合工业化推广。适合工业化推广。

【技术实现步骤摘要】
三元正极材料及其制备方法以及锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂电材料
，具体而言，涉及三元正极材料及其制备方法以及锂离子电池。

技术介绍

[0002]目前现有技术中通过掺杂占据锂离子位置的方法，通常是直接将掺杂元素与三元正极材料前驱体混合煅烧，或在共沉淀法制备三元正极材料前驱体时同时加入掺杂元素，或经水热法制备掺杂的三元正极材料前驱体然后再与锂源混合后烧结制备正极材料。然而这些方法或多或少存在一些缺点，例如制备过程中选用了危险性高的材料、制备过程难以控制晶体生长、制备过程中为了分散均匀使用了额外的能耗设备，这一系列的问题均导致了掺杂占据锂位置的三元正极材料难以实现大规模商业生产或难以取得较高的经济效益。
[0003]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供三元正极材料及其制备方法以及锂离子电池。
[0005]本专利技术是这样实现的：第一方面，本专利技术提供一种三元正极材料的制备方法，包括：将三元前驱体与钾源混合均匀后于300~600℃下加热3~5h得到掺钾前驱体；将掺钾前驱体与锂源混合均匀后于700~1000℃下加热8~12h；锂源中锂元素和钾源中钾元素之和与三元前驱体中金属元素含量之和的摩尔比为1~1.1:1，锂源中锂元素和钾源中钾元素的摩尔比为90~99.5:0.5~10。
[0006]在可选的实施方式中，将三元前驱体与钾源混合均匀是：将三元前驱体与钾源在500~700rpm的转速下混合至少15min；优选地，混合时间为15~30min。
[0007]在可选的实施方式中，得到掺钾前驱体后，将掺钾前驱体过400目筛，将过筛后的掺钾前驱体与锂源混合。
[0008]在可选的实施方式中，将掺钾前驱体与锂源混合均匀是：将掺钾前驱体与锂源在400~600rpm的转速下混合至少20min；优选地，混合时间为20~40min。
[0009]在可选的实施方式中，锂源为氢氧化锂和碳酸锂中至少一种。
[0010]在可选的实施方式中，钾源为碳酸钾、氢氧化钾、草酸钾和醋酸钾中至少一种。
[0011]在可选的实施方式中，掺钾前驱体与锂源混合加热后还包括将得到的产物冷却、破碎、筛分、除磁。
[0012]第二方面，本专利技术提供一种三元正极材料，采用如前述实施方式任一项的制备方法制得。
[0013]第三方面，本专利技术提供一种锂离子电池，其正极的制备原料包括如前述实施方式
的三元正极材料。
[0014]在可选的实施方式中，其负极的制备原料包括石墨。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：本申请采用钾元素代替部分锂元素与前驱体高温烧结制得Li
‑
K正极材料，材料中的钾可参与电化学反应，贡献容量，同时钾离子形成的骨架结构可提高材料的循环稳定性，钾离子较大的离子半径可提高材料的倍率性能。本方法中，先将前驱体与钾源混合烧结，使钾先进入晶格中，然后再将掺钾前驱体与锂源混合烧结使锂进入晶格中，避免同时烧结出现锂进入晶格占位后钾难以进入的问题发生；且制备过程中经历两次烧结，一次烧结后将掺钾前驱体与锂源混合均匀后再进行烧结，混合过程中掺钾前驱体分散更均匀，如此可保证在加热过程中晶体生长地更均匀，从而得到性能更好的正极材料；该制备方法简单，制备过程中涉及到的仪器设备少，制备用材便宜，因此，该制备方法具有成本低适合工业化推广的优点，特别是由于K
+
与Li
+
一样，可嵌入石墨层状结构中，因此，这种材料制成正极后非常适合与材质为石墨的负极共同使用装配为锂离子电池，当与石墨负极共同装配为电池时该电池的倍率性能和有效容量均较好。
具体实施方式
[0016]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0017]下面对本申请实施例提供的三元正极材料及其制备方法以及锂离子电池进行具体描述。
[0018]本申请实施例提供的三元正极材料的制备方法，包括：将三元前驱体与钾源混合均匀后于300~600℃下加热3~5h得到掺钾前驱体；将掺钾前驱体与锂源混合均匀后于700~1000℃下加热8~12h；锂源中锂元素和钾源中钾元素之和与三元前驱体中金属元素含量之和的摩尔比为1~1.1:1，锂源中锂元素和钾源中钾元素的摩尔比为90~99.5:0.5~10。
[0019]专利技术人发现，钾元素相对于钠元素和锂元素具有以下优点：钾资源储量丰富，与钠接近，远高于锂；钾资源产品价格低廉、制备方法简单；K标准电极电位（
‑
2.93V）与Li标准电极电位（
‑
3.04V）接近；K
+
离子半径比Li
+
离子半径大，可作为骨架，起支撑作用；最重要的是，K
+
与Li
+
一样，可嵌入石墨层状结构中石墨的理论储钾容量为279mAh/g。
[0020]本申请采用钾元素代替部分锂元素与前驱体高温烧结制得Li
‑
K正极材料，材料中的钾可参与电化学反应，贡献容量，同时钾离子形成的骨架结构可提高材料的循环稳定性，钾离子较大的离子半径可提高材料的倍率性能。本方法中，先将前驱体与钾源混合烧结，使钾先进入晶格中，然后再将掺钾前驱体与锂源混合烧结使锂进入晶格中，避免同时烧结出现锂进入晶格占位后钾难以进入的问题发生；且制备过程中经历两次烧结，一次烧结后将掺钾前驱体与锂源混合均匀后再进行烧结，混合过程中掺钾前驱体分散更均匀，如此可保证在加热过程中晶体生长地更均匀，从而得到性能更好的正极材料；该制备方法简单，制备过程中涉及到的仪器设备少，制备用材便宜，因此，该制备方法具有成本低适合工业化推广
的优点，特别是这种材料制成正极后非常适合与材质为石墨的负极共同使用装配为锂离子电池，当与石墨负极共同装配为电池时，该电池的倍率性能和有效充放电容量均较好。
[0021]制备方法具体为：S1、备料本申请中提到的三元前驱体的化学通式为：Ni
x
Co
y
Mn
(1
‑
x
‑
y)
(OH)2，0＜X＜1，0＜y＜1。
[0022]按照锂元素和钾元素的摩尔比为90~99.5:0.5~10，锂元素和钾元素之和与三元前驱体中金属元素含量之和的摩尔比为1~1.1:1备料。
[0023]S2、一次烧结将三元前驱体与钾源置于高速混合机中，在500~700rpm的转速下混合至少15min得到第一均匀混合料。
[0024]将第一均匀混合料置于辊道窑中，在300~600℃的恒温条件下加热3~5h得到掺钾前驱体。
[0025]优选地，为兼顾制备效率和混合均匀性，混合时间为15~30min。
[0026]优选地，钾源为碳酸钾、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括：将三元前驱体与钾源混合均匀后于300~600℃下加热3~5h得到掺钾前驱体；将所述掺钾前驱体与锂源混合均匀后于700~1000℃下加热8~12h；所述锂源中锂元素和所述钾源中钾元素之和与所述三元前驱体中金属元素含量之和的摩尔比为1~1.1:1，所述锂源中锂元素和所述钾源中钾元素的摩尔比为90~99.5:0.5~10。2.根据权利要求1所述三元正极材料的制备方法，其特征在于，将所述三元前驱体与所述钾源混合均匀是：将所述三元前驱体与所述钾源在500~700rpm的转速下混合至少15min。3.根据权利要求1所述三元正极材料的制备方法，其特征在于，得到所述掺钾前驱体后，将所述掺钾前驱体过400目筛，将过筛后的所述掺钾前驱体与所述锂源混合。4.根据权利要求1所述三元正极材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彬，孟冲，邹昌武，范未峰，王政强，张郑，
申请(专利权)人：宜宾锂宝新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：