【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池正极材料，具体涉及一种高熵富镍单晶正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，寻找高效、环保的能源存储技术成为了科研和工业界的重要课题。锂离子电池（libs）因其高能量密度、长循环寿命和较好的环境兼容性，自20世纪90年代商业化以来，已成为便携式电子设备和电动汽车（evs）的首选电源。然而，当前锂离子电池的能量密度已接近其理论极限，难以满足市场对更高能量密度电池的迫切需求。富镍氧化物正极材料linixcoymnzo2（ncm）因其高理论容量而被视为提高锂离子电池能量密度的关键。特别是当ni含量超过80%时，由于其较高的工作电压和能量密度，被认为是下一代锂离子电池正极材料的理想选择之一。
2、目前，商用的富镍氧化物正极材料多为团聚型的多晶材料，团聚型的多晶材料在充放电过程中由于体积膨胀会出现微裂纹，导致电极材料与电解液反应加剧，进而引起结构坍塌。研究表明，随着团聚型的多晶材料中ni含量的增加，富镍氧化物正极材料ncm的结构退化（不可逆相变、晶格应力和机械裂纹）和电化学不稳定性（界面副反应、过渡金属腐蚀和溶解）等固有缺陷会加剧。这些问题会严重影响其电化学性能，阻碍其进一步应用。
3、为了解决富镍氧化物正极材料ncm在深度充放电过程中的固有缺陷，研究人员发现，在正极材料中构建单晶结构能减少晶界并消除裂纹，有助于缓解界面副反应的发生，提升电池的循环寿命和安全性能，并且单晶材料取代多晶材料以消除颗粒晶界具有提高全固态电池电化学性能的潜力；此外，
技术实现思路
1、为解决富镍正极材料在全固态锂离子电池实际应用中，由于界面兼容和相转变引发的热稳定性和循环寿命较差等问题，本专利技术提供一种高熵单晶掺杂效应，在保证其主体结构的前提下，在前驱体生长过程中引入多种不具有电化学活性的离子，再结合多段高温烧结完成单晶化过程，实现了“零应变”、高稳定性、高安全性且具有高能量密度的正极材料。深入研究表明，一方面，多组分元素构筑的高熵框架，可以减轻晶格应力积累，从微观晶体结构角度提升电池寿命；另一方面，将传统的团聚型多晶正极材料高温煅烧成单晶型材料，能减少晶界并消除内部裂纹，从晶粒大小和形状角度优化材料性能。因此，结合这两种策略进行开发高熵单晶型的富镍氧化物正极材料ncm，对于正极材料中的固有缺陷提出了一种前景广阔的策略，能极大地推动了高性能libs商业化的发展。
2、本专利技术的目的之一在于提供一种富镍高熵单晶正极材料，采用共沉淀驱动高熵掺杂效益得到氢氧化物前驱体，同时将前驱体与锂盐混合后经多段高温煅烧获得所述正极材料，如下技术方案：
3、根据本专利技术，所述富镍高熵单晶正极材料的化学式为linixcoymnzn1-x-y-zo2，其中n为不同比例的y、gd、w、mo，其中，0.9≤x≤0.95，0＜y≤0.05，0＜z≤0.05，x+y+z=1。
4、优选地，所述n为不同比例的y、gd、w、mo，0.02≤1-x-y-z≤0.05。
5、优选地，所述y、gd、w、mo的摩尔比为1:1:1:1或2:2:1:1。
6、本专利技术还提出一种所述的富镍高熵单晶正极材料的制备方法，包括以下步骤：
7、s1、以可溶性镍盐、可溶性钴盐、可溶性锰盐、可溶性钇盐、可溶性钨盐、可溶性钆盐和可溶性钼盐为原料配制金属盐溶液；配制沉淀剂溶液；配制络合剂溶液。
8、s2、在惰性气氛下，将s1中的金属盐溶液、沉淀剂溶液和络合剂溶液混合后进行共沉淀反应得到前驱体nixcoymnzn1-x-y-z(oh)2，其中，0.9≤x≤0.95，0＜y≤0.05，0＜z≤0.05，x+y+z=1，n为不同比例的y、gd、w、mo。
9、s3、将s2得到的前驱体nixcoymnzn1-x-y-z(oh)2与锂盐混合在氧气气氛下进行多段高温烧结，得到所述高熵富镍单晶正极材料。
10、优选地，在s1中，所述可溶性镍盐为硫酸镍、硝酸镍中的一种；所述可溶性钴盐为硝酸钴、硫酸钴中的一种；所述可溶性锰盐为硫酸锰、硝酸锰中的一种；所述可溶性钇盐为硫酸钇、硝酸钇中的一种；所述可溶性钆盐为硫酸钆、硝酸钆中的一种；所述可溶性钼盐为硫酸钼、钼酸铵中的一种；所述可溶性钨盐为钨酸钠、钨酸铵中的一种。
11、优选地，在s1中，所述沉淀剂溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液中的一种；所述络合剂溶液为氢氧化铵溶液、硫酸铵溶液中的一种。
12、优选地，在s1中，所述锂盐为li2co3或lioh中的一种。
13、优选地，在s1中，所述金属盐溶液中，金属盐的总浓度为2~2.5mol/l；所述络合剂溶液的浓度为8~9mol/l；所述沉淀剂溶液中沉淀剂的浓度为7.5~8mol/l。
14、优选地，在s2中，共沉淀反应时间为20~24h；体系ph值维持为11.2~11.5；反应温度为50~55℃；优选地，所得浆料中的二次粒子直径为3~7μm。
15、优选地，在s2中，所述y、gd、w、mo的摩尔比为1:1:1:1或2:2:1:1，0.02≤1-x-y-z≤0.05。
16、优选地，在s3中，所述多段高温烧结包括至少3段，以2~5℃/min的升温速度从室温升温到400~500℃，保温5~6小时；以3~5℃/min的升温速度继续升温到700~750℃，保温5~10小时；以5~10℃/min的升温速度继续升温到850~950℃，保温1~3小时；以5~10℃/min的降温速度降温到700~750℃，保温5~10小时；以5~10℃/min的的降温速度冷却到室温。
17、本专利技术的目的之二在于提供一种上述的高熵富镍单晶正极材料或者由上述制备方法得到的高熵富镍单晶正极材料，在电池材料中的应用。
18、与现有技术相比，本专利技术的优点体现在：
19、本专利技术提供的制备方法中，采用高熵掺杂结合单晶化合成思路制备富镍单晶正极材料，具有颗粒分散性高，结构稳定性更强，首圈放电比容量超过200mah g-1，50圈充放电循环后容量保持率大于90%。其制备方法工艺路线简单，不需要额外的助熔剂，可实现连续化规模化生产，适用范围广。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种高熵富镍单晶正极材料，其特征在于：其化学式为LiNixCoyMnzN1-x-y-zO2，N为Y、Gd、W、Mo，其中0.9≤x≤0.95，0＜y≤0.05，0＜z≤0.05，x+y+z=1。
2.根据权利要求1所述的一种高熵富镍单晶正极材料，其特征在于：Y、Gd、W、Mo的摩尔比为1:1:1:1或2:2:1:1，0.02≤1-x-y-z≤0.05。
3.制备如权利要求1所述的一种高熵富镍单晶正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在S1中，所述可溶性镍盐为硫酸镍、硝酸镍中的一种；所述可溶性钴盐为硝酸钴、硫酸钴中的一种；所述可溶性锰盐为硫酸锰、硝酸锰中的一种；所述可溶性钇盐为硫酸钇、硝酸钇中的一种；所述可溶性钆盐为硫酸钆、硝酸钆中的一种；所述可溶性钼盐为硫酸钼、钼酸铵中的一种；所述可溶性钨盐为钨酸钠、钨酸铵中的一种。
5.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在S1中，所述沉淀剂溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液中的一种；所述络合剂溶
6.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在S3中，所述锂盐为Li2CO3或LiOH中的一种。
7.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在S1中，所述金属盐溶液中，金属盐的总浓度为2~2.5mol/L；所述络合剂溶液的浓度为8~9mol/L；所述沉淀剂溶液中沉淀剂的浓度为7.5~8mol/L。
8.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在S2中，Y、Gd、W、Mo的摩尔比为1:1:1:1或2:2:1:1，0.02≤1-x-y-z≤0.05，共沉淀反应时间为20~24h；体系pH值维持为11.2~11.5；反应温度为50~55℃；所得浆料中的二次粒子直径为3~7μm。
9.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于，在S3中，所述多段高温烧结包括至少3段，以2~5℃/min的升温速度从室温升温到400~500℃，保温5~6小时；以3~5℃/min的升温速度继续升温到700~750℃，保温5~10小时；以5~10℃/min的升温速度继续升温到850~950℃，保温1~3小时；以5~10℃/min的降温速度降温到700~750℃，保温5~10小时；以5~10℃/min的的降温速度冷却到室温。
10.一种权利要求1~3任一项所述的高熵富镍单晶正极材料或者由权利要求4~9任一项所述制备方法得到的高熵富镍单晶正极材料在电池材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种高熵富镍单晶正极材料，其特征在于：其化学式为linixcoymnzn1-x-y-zo2，n为y、gd、w、mo，其中0.9≤x≤0.95，0＜y≤0.05，0＜z≤0.05，x+y+z=1。
2.根据权利要求1所述的一种高熵富镍单晶正极材料，其特征在于：y、gd、w、mo的摩尔比为1:1:1:1或2:2:1:1，0.02≤1-x-y-z≤0.05。
3.制备如权利要求1所述的一种高熵富镍单晶正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在s1中，所述可溶性镍盐为硫酸镍、硝酸镍中的一种；所述可溶性钴盐为硝酸钴、硫酸钴中的一种；所述可溶性锰盐为硫酸锰、硝酸锰中的一种；所述可溶性钇盐为硫酸钇、硝酸钇中的一种；所述可溶性钆盐为硫酸钆、硝酸钆中的一种；所述可溶性钼盐为硫酸钼、钼酸铵中的一种；所述可溶性钨盐为钨酸钠、钨酸铵中的一种。
5.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在s1中，所述沉淀剂溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液中的一种；所述络合剂溶液为氢氧化铵溶液、硫酸铵溶液中的一种。
6.根据权利要求3所述的高熵富镍单晶正极材料的制备方法，其特征在于：在s3中，所述锂盐为li2co3或lioh中的一种。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：李阿飞，唐伟建，黄小琴，陈章贤，张卫新，苏建徽，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。