一种无钴单晶正极材料及电池和制备方法与流程

本发明涉及电池领域，具体涉及一种无钴单晶正极材料及电池和制备方法。

背景技术：

1、由于锂离子二次电池无污染、储能大、易携带的优点，其被广泛应用于手机电池、计算机、摄像机等3c设备之中。随着技术的发展，高能量密度的锂离子电池越来越广泛的应用在混合式动力汽车，甚至纯电动汽车中，为人们的出行提供动力。镍锰钴酸锂三元正极材料具有能量密度大、循环性能好、安全环保等优点，是目前电池正极材料研究的一个重要方向。然而由于钴资源储存较少，造成了钴价格较贵，同时钴对环境污染较大。因此，无钴镍锰酸锂材料的开发在控制成本，增强市场耐受性方面有着巨大的优势。

2、无钴镍锰酸锂材料中镍主要起到增加比容量，锰主要起到稳定材料骨架的作用；目前，无钴单晶正极材料在烧结过程中存在喷料的现象。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于解决现有单晶无钴正极材料在烧结制备过程中出现喷料的问题，提供能在烧结过程中避免喷料并同时提升单晶无钴正极材料电性能的一种无钴单晶正极材料及电池和制备方法。

2、一种改善无钴单晶正极材料喷料的方法，包括：

3、获取无钴单晶正极材料的原料混合物的安息角θ，获取装载到用于烧结的钵体内原料混合物的厚度d，控制升温速度r，使其在满足d*r/sinθ≤25的条件下升温至烧结温度进行烧结；其中，d的单位为cm,r的单位为℃/min。

4、所述安息角θ满足π/8≤θ≤π3/8；

5、和/或，所述厚度d满足2.5cm≤d≤6cm；

6、和/或，所述升温速度r满足2℃/min≤r≤4.5℃/min。

7、一种无钴单晶正极材料的制备方法，包括：

8、获取无钴单晶正极材料的原料，混合均匀后获得原料混合物，检测原料混合物的安息角θ；

9、将原料混合物装载到钵体内，获取钵体内原料混合物的装载厚度d，单位为cm；

10、将装载有原料混合物的钵体在升温速度r下升温至烧结温度进行烧结获得无钴单晶正极材料，r的单位为℃/min；其中，d*r/sinθ≤25。

11、所述安息角θ为π/8-π3/8；和/或，所述厚度d为2.5-6cm；和/或，所述升温速度r为2-4.5℃/min。

12、所述原料混合物中包括锂盐、无钴前驱体和掺杂剂。

13、所述无钴前驱体为nixmnyz1-x-yoh，其中，0.5≤x≤0.9，0.1≤y≤0.5，z为其他非钴金属；

14、和/或，所述掺杂剂为zro2、tio2、al2o3、srco3、h3bo3、moo3、wo3、al(oh)3和b2o3中的至少一种；优选的，掺杂剂的掺杂量为500-6000ppm；

15、和/或，所述锂盐为一水合氢氧化锂粉末，优选的，锂盐的d50≤15μm。

16、所述钵体的规格为330*330*120mm；

17、和/或，所述烧结温度为900-1000℃，烧结时间为8-12h；

18、和/或，所述烧结后，再经过破碎过筛得到无钴单晶正极材料；所述过筛步骤中筛网为300-400目。

19、所述烧结无钴单晶正极材料的d50为1.5μm-5μm。

20、一种无钴单晶正极材料，采用上述的一种无钴单晶正极材料的制备方法制备得到。

21、一种锂离子电池，包括上述的一种无钴单晶正极材料的制备方法制备得到的一种无钴单晶正极材料或上述的一种无钴单晶正极材料。

22、本发明技术方案，具有如下优点：

23、1.发明人在研究过程中发现，喷料产生的原因一方面和一次混合料的流动性有关，当流动性较好时，一混料内部孔隙较少，水蒸气难以散出，一方面和材料装钵厚度以及升温速率有关，当装钵厚度越大，材料底部的水蒸气越难以溢出，升温速率越快，会在短时间内生成过多水蒸气，这些都会导致喷料的发生。具体的，材料在烧结过程中由于材料流动性好，材料装钵堆积后物料内部的空间较少，升温速率较快，使得材料内部温度急剧升高，材料内部失水形成水蒸气迅速从下往上走，由于材料本体孔隙有限不能让水蒸汽及时排出，水蒸汽会在物料表面制造小孔让自己迅速排出，形成了火山喷发状的喷料孔，喷料孔周围物料多为多晶形貌，影响了材料的一致性，同时喷料部位物料的li/m比往往较低，导致电性能差，因此，如何解决无钴单晶正极材料在烧结制备过程中的喷料问题，成为制备无钴单晶正极材料的技术性难题；

24、本发明的一种改善无钴单晶正极材料喷料的方法，通过控制原料混合物的安息角θ、钵体内原料混合物的装载厚度d以及钵体在烧结步骤中的升温速度r，使其满足d*r/sinθ≤25，即可有效解决烧结过程中的喷料问题，提高制备得到的无钴单晶正极材料的电性能。

25、2.本发明进一步优化原料混合物的安息角θ、钵体内原料混合物的装载厚度d以及钵体在烧结步骤中的升温速度r的参数范围，可以更好的兼顾无钴单晶正极材料的电性能。具体的，当混合料流动性变差，会有较多的空隙，虽然能够减少喷料的发生，但往往流动性变差，会影响混料工序混料的均匀性，影响产品稳定性，因此，本发明中混合料的安息角θ优选为π/8≤θ≤π3/8。降低钵体内原料混合物的装载厚度虽然对防止喷料有利，但过低的装载厚度无疑会使得产能变低，成本增加，因此装钵厚度d优选为2.5-6cm。钵体在烧结步骤中的升温速度过低往往会使材料一次颗粒难以长大，升温速度过高则会加剧喷料，因此，烧结步骤中的升温速度r优选为2-4.5℃/min。通过安息角θ、钵体内原料混合物的装载厚度d以及钵体在烧结步骤中的升温速度r的参数的控制，可以有效避免喷料的发生，进一步有效提高无钴单晶正极材料的电性能，该效果可以通过表2中容量保持率的数据有效证明。

26、3.本发明的方案除了对改善喷料问题有指导意义，对产能以及原料流动性的选择也有借鉴作用。

技术特征：

1.一种改善无钴单晶正极材料喷料的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种改善无钴单晶正极材料喷料的方法，其特征在于，所述安息角θ满足π/8≤θ≤π3/8；

3.一种无钴单晶正极材料的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述安息角θ为π/8-π3/8；和/或，所述厚度d为2.5-6cm；和/或，所述升温速度r为2-4.5℃/min。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述原料混合物中包括锂盐、无钴前驱体和掺杂剂。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述无钴前驱体为nixmnyz1-x-yoh，其中，0.5≤x≤0.9，0.1≤y≤0.5，z为其他非钴金属；

7.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钵体的规格为330*330*120mm；

8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结无钴单晶正极材料的d50为1.5μm-5μm。

9.一种无钴单晶正极材料，其特征在于，采用权利要求3-8任一项所述的一种无钴单晶正极材料的制备方法制备得到。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求3-8任一项所述的一种无钴单晶正极材料的制备方法制备得到的一种无钴单晶正极材料或权利要求9所述的一种无钴单晶正极材料。

技术总结
本发明公开了一种无钴单晶正极材料及电池和制备方法；其中，一种无钴单晶正极材料的制备方法，包括获取无钴单晶正极材料的原料，混合均匀后获得原料混合物，检测原料混合物的安息角θ；将原料混合物装载到钵体内，获取钵体内原料混合物的装载厚度d，单位为cm；将装载有原料混合物的钵体在升温速度r下升温至烧结温度进行烧结获得无钴单晶正极材料，r的单位为℃/min；其中，d*r/sinθ≤25。本发明的制备方法可以解决现有单晶无钴正极材料在烧结过程中出现的喷料问题，有效提高制备得到的单晶无钴正极材料的电性能。

技术研发人员：施泽涛,乔齐齐,额尔敦宝力高,吴鹏磊,王鹏飞,郭丰,李子郯,杨红新
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12