【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，具体而言，涉及一种三元正极材料及其制备方法、锂离子电池。
技术介绍
1、在当今社会，随着环保意识的日益增强，新能源技术的发展已成为全球共识。锂离子电池凭借其高能量密度和便携性，已被广泛应用于电动汽车、3c产品、储能等多个领域。作为不可或缺的能源供应装置，锂离子电池技术得到了广泛关注，其中正极材料作为其四大核心材料之一，其性能直接决定了电池的整体性能。
2、单晶型三元正极材料作为当前主流的锂离子正极材料，凭借其卓越的能量密度和循环寿命，成为了科研人员深入研究的焦点。然而，传统制备的三元单晶材料存在一定局限性，其内部结构的致密性和活性位点的稀缺限制了其倍率性能的提升。
3、因此，针对单晶型三元正极材料的结构特性进行改性研究显得尤为关键。当前的研究主要聚焦在两个核心问题上：(1)如何在高电压应用条件下，增强材料的单颗粒机械强度，以确保在循环过程中材料的完整性；(2)如何优化单晶型材料的内部结构，创造更多活性位点，为锂离子扩散提供更为畅通的通道，从而确保电解液的充分浸润，进一步缩短锂离子的扩散距离，提升材料的倍率性能，以满足更高性能要求的应用场景。这一研究方向对于推动锂离子电池技术的进步具有重要意义。然而，现有制备方法的得到的单晶型三元正极材料的循环性能和倍率性能仍然较差。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种三元正极材料及其制备方法、锂离子电池，以解决现有技术中制备得到的单晶型三元正极材料的循环性能和倍率性能较差的问题。p>
2、为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种三元正极材料，该三元正极材料的化学通式为lianixcoymnzme(1-x-y-z)o2，其中，0.95≤a≤1.2，0.65≤x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1，x+y+z≤1；me表示掺杂元素，掺杂元素选自al、ti、w、zr、mg、nb、co和ca中的任意一种或多种；三元正极材料包括内核以及依次包覆于内核表面的保护层和壳层，保护层与内核表面接触设置；内核的孔隙率为40～60％。
3、本申请通过独特的内核-保护层-壳层结构设计，有效提高了三元正极材料在高电压应用条件下的机械强度和结构稳定性。具体地，内核的丰富孔隙结构增加了三元正极材料与电解液的接触表面积，从而提高了锂离子传导效率。保护层进一步增强了内核的表面稳定性和电解液兼容性。壳层的设计则进一步增强了三元正极材料的机械性能，保证了循环过程中三元正极材料的完整性，从而显著提升了三元正极材料的倍率性能和循环寿命。
4、进一步地，上述内核、保护层与所述壳层的体积比为(40～80):(15～59):(1～5)；和/或，内核与壳层各自独立地为三元材料，三元材料的化学通式为libnincommnpm(1-n-m-p)o2，其中，0.95≤b≤1.2，0.65≤n≤1，0＜m≤1，0＜p≤1，n+m+p≤1，m表示掺杂元素，掺杂元素选自al、ti、w、zr、mg、nb、co和ca中的任意一种或多种；和/或，内核的体积为三元正极材料总体积的40～80％；和/或，保护层为钴酸锂。
5、优化控制内核、保护层与壳层的质量比在上述范围内，以及控制内核与壳层的化学组成，有利于使三元材料的内部结构更加合理，从而优化了三元正极材料整体的机械强度和化学稳定性，进而从整体上提升了三元正极材料的循环稳定性和倍率性能。同时，内核的体积占比提供了大量的锂离子传输通道和应力释放空间，从而增加了活性位点，促进了电解液的充分浸润。
6、进一步地，上述三元正极材料的孔隙率为10～30％；和/或三元正极材料的孔容为0.0100～0.1000cm3/g；和/或三元正极材料的颗粒尺寸为1.5～3.5μm，三元正极材料的平均粒度d50为2.0～5.0μm，三元正极材料的粒度分布为(d90-d10)/d50＝0.6～1.4:1。
7、优选控制三元正极材料的孔隙率、孔容、颗粒尺寸、平均粒度和粒度分布在上述范围内，有利于提高三元正极材料与电解液接触的表面积，缩短锂离子的扩散距离，从而提高三元正极材料的结构稳定性和锂离子传输效率，保证了三元正极材料在高电压应用下的循环稳定性和机械强度，进而提高了电池的整体性能和安全性。
8、根据本专利技术的另一个方面，提供了一种前述三元正极材料的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将包括三元正极材料内核与封孔剂的第一原料进行混合，得到第一浆料；步骤s2，惰性气氛中，将包括第一浆料、钴盐溶液与第一沉淀剂的第二原料进行水热反应，得到第二浆料；步骤s3，将包括第二浆料、第二沉淀剂、第一络合剂、第一底液与第一金属溶液的第三原料进行第一共沉淀反应，得到第一沉淀；步骤s4，氧气气氛中，将包括第一沉淀、第一锂盐与改性添加剂的第四原料进行第一烧结，得到三元正极材料；其中，三元正极材料内核的孔隙率为40～60％。
9、本申请通过特定的步骤和条件控制，实现了三元正极材料的高效制备；其中，封孔剂有效地保护了三元正极材料内核的孔隙结构在后续制备步骤中不被破坏。水热反应和第一共沉淀反应在三元正极材料内核表面依次形成保护层与壳层，从而优化了三元正极材料内部化学组成和微观结构，第一烧结进一步提升了三元正极材料的机械性能和化学稳定性，进而提高了所得三元正极材料的结构稳定性和电化学性能，适用于高电压锂离子电池应用。
10、进一步地，上述步骤s1包括：将封孔剂、三元正极材料内核与溶剂混合，得到第一浆料，第一浆料的固含量为20～40％，溶剂选自乙醇、丙醇、甲醇和吐温80中的任意一种或多种；和/或，封孔剂与三元正极材料内核的质量比为(20～40)：(60～80)，优选封孔剂为聚氨酯和/或聚甲基丙烯酸酯。
11、优选控制第一浆料的固含量和溶剂的选择在上述范围内，有利于第一原料混合更加均匀，从而形成稳定的第一浆料，进而有利于后续步骤中颗粒结构的形成和调控。同时，通过控制封孔剂与三元正极材料内核的质量比以及封孔剂的种类在上述范围内，有利于对三元正极材料内核中的孔隙结构进行充分地保护。
12、进一步地，上述步骤s2中，第二原料中，钴盐溶液的浓度为1.0～3.0mol/l；和/或，钴盐溶液选自硫酸钴溶液、碳酸钴溶液、氯化钴溶液、草酸钴溶液中的任意一种或多种；和/或，第一沉淀剂选自氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化锂水溶液中的任意一种或多种，第一沉淀剂的质量浓度为20～50wt％；和/或，水热反应的ph为9.5～11.5；和/或，水热反应的温度为100～200℃，水热反应的时间为8～12h；和/或，第二浆料的固含量为200～600g/l。
13、优选控制钴盐溶液的浓度和种类、第一沉淀剂种类在上述范围内，有利于在三元正极材料内核的表面形成氢氧化钴保护层。其中，对水热反应条件的控制，有利于促进保护层的均匀形成，从而提高保护层对三元正极材料内核的保护作用。
14、进一步地，上述步骤s3中，第一沉淀的比表面积为2～5m2/g；和/或第一沉淀的振实密度为1.6～2.2g/本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三元正极材料，其特征在于，所述三元正极材料的化学通式为
2.根据权利要求1所述的三元正极材料，其特征在于，所述内核、所述保护层与所述壳层的体积比为(40～80):(15～59):(1～5)；和/或，所述内核与所述壳层各自独立地为三元材料，所述三元材料的化学通式为LibNinComMnpM(1-n-m-p)O2，其中，0.95≤b≤1.2，0.65≤n≤1，0＜m≤1，0＜p≤1，n+m+p≤1，M表示掺杂元素，所述掺杂元素选自Al、Ti、W、Zr、Mg、Nb、Co和Ca中的任意一种或多种；和/或，所述内核的体积为所述三元正极材料总体积的40～80％；和/或，所述保护层为钴酸锂。
3.根据权利要求1或2所述的三元正极材料，其特征在于，所述三元正极材料的孔隙率为10～30％；和/或所述三元正极材料的孔容为0.0100～0.1000cm3/g；和/或所述三元正极材料的颗粒尺寸为1.5～3.5μm，所述三元正极材料的平均粒度D50为2.0～5.0μm，所述三元正极材料的粒度分布为(D90-D10)/D50＝0.6～1.4:1。
4.一种权利要求
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第二原料中，所述钴盐溶液的浓度为1.0～3.0mol/L；
7.根据权利要求4至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述第一沉淀的比表面积为2～5m2/g；和/或所述第一沉淀的振实密度为1.6～2.2g/cm3；和/或所述第一沉淀的D50粒径为2.5～6.0μm；
8.根据权利要求4至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述第一金属溶液中镍离子、钴离子、锰离子的总摩尔量与所述第一锂盐中锂离子的摩尔量之比为1:1.0～1.20；
9.根据权利要求4至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括所述三元正极材料内核的制备过程，所述制备过程包括：
10.根据权利要求4至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
11.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极片和负极片，所述正极片包括正极材料，其特征在于，所述正极材料为权利要求1至3中任一项所述的三元正极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种三元正极材料，其特征在于，所述三元正极材料的化学通式为
2.根据权利要求1所述的三元正极材料，其特征在于，所述内核、所述保护层与所述壳层的体积比为(40～80):(15～59):(1～5)；和/或，所述内核与所述壳层各自独立地为三元材料，所述三元材料的化学通式为libnincommnpm(1-n-m-p)o2，其中，0.95≤b≤1.2，0.65≤n≤1，0＜m≤1，0＜p≤1，n+m+p≤1，m表示掺杂元素，所述掺杂元素选自al、ti、w、zr、mg、nb、co和ca中的任意一种或多种；和/或，所述内核的体积为所述三元正极材料总体积的40～80％；和/或，所述保护层为钴酸锂。
3.根据权利要求1或2所述的三元正极材料，其特征在于，所述三元正极材料的孔隙率为10～30％；和/或所述三元正极材料的孔容为0.0100～0.1000cm3/g；和/或所述三元正极材料的颗粒尺寸为1.5～3.5μm，所述三元正极材料的平均粒度d50为2.0～5.0μm，所述三元正极材料的粒度分布为(d90-d10)/d50＝0.6～1.4:1。
4.一种权利要求1至3中任一项所述三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯长运，胡渊，张培芸，王宇航，杨大圩，王庆莉，高玉仙，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：
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