一种锂离子电池正极材料及其前驱体的制备方法与流程

本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其前驱体的制备方法，具体来讲涉及一种掺铝的锂离子电池正极材料及其前驱体的制备方法。

背景技术：

锂离子电池是绿色高能电池，具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点，广泛应用于各种便携式电动工具、电子仪表、移动电话、笔记本电脑、摄录机、武器装备等，在电动汽车以及各类储能领域也已经大规模使用。

近年来，锂离子电池的产量飞速增长，应用领域不断扩大，市场对锂离子电池能量密度的要求越来越高，相应的需要不断提高锂离子电池正极材料的能量密度，但随着材料能量密度的提高，其循环性能、安全性能随之下降，如何在不牺牲容量的情况下，同时改进其循环和安全性能，成为亟待解决的问题。

目前提高锂离子电池正极材料循环和安全性能的主要改性方法是掺杂和包覆，其中掺杂铝元素可以稳定材料结构，明显抑制充放电过程中的放热反应，能够有效的改善正极材料循环和安全性能。在化学共沉淀合成掺铝的正极材料前驱体时，由于镍钴锰元素与铝元素的沉淀ph差异较大，溶度积常数最大相差10¹⁸倍，同时三价铝很难与氨水发生络合，所以采用常规的液相共沉淀法，铝极易生成絮状产物，导致掺铝前驱体中铝元素分布不均匀，同时常规的液相共沉淀法通常将镍钴锰等盐溶液、铝盐溶液、碱溶液、络合剂溶液分别加入反应釜进行反应，不但过程控制难度大，产品指标稳定性差，而且设备投入多，成本高。

技术实现要素：

本发明提供的一种锂离子电池正极材料及其前驱体的制备方法，该方法能够实现铝元素的均匀掺杂，产品性能得到了明显提升，并且工艺简单，过程控制容易，能够比较容易地控制反应体系和产品指标的稳定性，生产成本低，更适于大规模工业化生产。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池正极材料及其前驱体的制备方法，包括如下步骤：

（1）将含有ni、co、mn元素的一种或几种的金属盐配制成浓度为1-3mol/l的盐溶液，将铝盐、碱、氨水按一定比例混合配制成浓度为2-10mol/l的碱性溶液；

（2）将步骤（1）中的盐溶液、碱性溶液溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中进行反应，过程保持搅拌，同时控制盐溶液与碱性溶液的进液流量，反应温度为40-70℃，溢流得到的前驱体浆料经过固液分离、洗涤、烘干、筛分后，得到均匀掺铝的球形前驱体；

（3）将步骤（2）中得到的前驱体与锂源混合，在空气或氧气气氛中，700-1150℃下烧结4-20h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料。

上述制备方法中，所述的锂离子电池正极材料通式为：

linixcoymnzaldo2

其中，0≤x<1，0≤y<1，0≤z<1，0.001≤d≤0.1，x+y+z+d=1。

上述制备方法中，所述的前驱体通式为：

nixcoymnzald(oh)2+d

其中，0≤x<1，0≤y<1，0≤z<1，0.001≤d≤0.1，x+y+z+d=1。

上述制备方法中，步骤（1）中所述的金属盐为硫酸盐、氯化盐、硝酸盐、醋酸盐中的一种或其中几种。

上述制备方法中，步骤（1）中所述铝盐为硫酸铝、硝酸铝、氯化铝中的一种或其中几种。

上述制备方法中，步骤（1）中所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种。

上述制备方法中，步骤（2）反应过程可以向反应釜里通入氮气。

上述制备方法中，步骤（3）中所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂和硝酸锂中的一种或其中几种。

本发明具有下述优点：

与现有技术相比，本发明先将铝盐与氢氧化钠、氨水混合配制成一定浓度的含铝碱性溶液。一方面反应过程中铝元素沉淀速度减慢，从而与镍钴锰元素实现均匀共沉淀；另一方面反应过程仅需控制盐溶液与碱性溶液这两种溶液的进液流量，工艺简单，能够比较容易的控制反应体系和产品指标的稳定性，从而实现产品的连续稳定生产。

附图说明

图1为本发明实施例1所制一种锂离子电池正极材料前驱体的扫描电子显微镜（sem）图。

图2为本发明实施例1所制一种锂离子电池正极材料前驱体颗粒剖面的元素线扫描电子显微镜（sem）图。

图3为本发明实施例1所制一种锂离子电池正极材料前驱体中铝元素的能谱分析（eds）图。

图4为本发明实施例1所制一种锂离子电池正极材料的扫描电子显微镜（sem）图。

具体实施方式

通过下述实施例及附图将有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。

实施例1

将硫酸镍、硫酸钴按照金属摩尔比87：10的比例溶解得到2mol/l的混合盐溶液；将硝酸铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比3：204：50的比例溶解得到4mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为0.97l/h，碱性溶液流量为1.29l/h，反应温度为50℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过压滤机固液分离、洗涤，滤饼105℃烘干10h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。将上述前驱体材料与氢氧化锂混合配料，在氧气气氛中，760℃烧结12h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lini0.87co0.1al0.03o2。

实施例2

将硝酸镍、硫酸钴、氯化锰按照金属摩尔比80：10：9的比例溶解得到1mol/l的混合盐溶液；将氯化铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比1：203：35的比例溶解得到6mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，在n2气氛保护下进行反应，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为1.98l/h，碱性溶液流量为0.8l/h，反应温度为55℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过压滤机固液分离、洗涤，滤饼115℃烘干5h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。将上述前驱体材料与氢氧化锂混合配料，在氧气气氛中，760℃烧结10h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lini0.8co0.1mn0.09al0.01o2。

实施例3

将硫酸镍溶解得到2.5mol/l的盐溶液；将硫酸铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比5：105：30的比例溶解得到8mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为1.8l/h，碱性溶液流量为1.75l/h，反应温度为50℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过压滤机固液分离、洗涤，滤饼115℃烘干5h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。将上述前驱体材料与氢氧化锂混合配料，在氧气气氛中，740℃烧结15h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lini0.9al0.1o2。

实施例4

将氯化镍、硫酸锰按照金属摩尔比49：49的比例溶解得到3mol/l的混合盐溶液；将硝酸铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比1：101：12的比例溶解得到10mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，在n2气氛保护下进行反应，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为0.98l/h，碱性溶液流量为0.68l/h，反应温度为45℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过离心机固液分离、洗涤，滤饼120℃烘干5h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。将上述前驱体材料与碳酸锂混合配料，在空气气氛中，890℃烧结14h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lini0.49mn0.49al0.02o2。

实施例5

将醋酸镍、醋酸钴、醋酸锰按照金属摩尔比60：19.8：19.8的比例溶解得到1.5mol/l的混合盐溶液；将硫酸铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比1：1010：230的比例溶解得到3mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，在n2气氛保护下进行反应，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为1.992l/h，碱性溶液流量为2.48l/h，反应温度为60℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过压滤机固液分离、洗涤，滤饼110℃烘干5h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。将上述前驱体材料与碳酸锂混合配料，在空气气氛中，850℃烧结5h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lini0.6co0.198mn0.198al0.004o2。

实施例6

将氯化钴溶解得到3mol/l的盐溶液；将硝酸铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比1：618：90的比例溶解得到2mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，在n2气氛保护下进行反应，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为2.18l/h，碱性溶液流量为7.82l/h，反应温度为65℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过离心机固液分离、洗涤，滤饼130℃烘干6h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。将上述前驱体材料与碳酸锂混合配料，在空气气氛中，1120℃烧结14h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lico0.99al0.01o2。

实施例7

将氯化镍、硫酸钴、硝酸锰按照金属摩尔比50：20：29.7的比例溶解得到2mol/l的混合盐溶液；将硝酸铝、氢氧化钠、氨水按照摩尔比1：700：55的比例溶解得到8mol/l的碱性溶液。盐溶液、碱性溶液分别放入不同容器中，并将两种溶液一起并流加入到带溢流口的反应釜中，在n2气氛保护下进行反应，过程保持搅拌，控制反应体系的盐溶液流量为2.28l/h，碱性溶液流量为1.295l/h，反应温度为55℃，连续溢流得到的前驱体浆料经过压滤机固液分离、洗涤，滤饼120℃烘干8h后筛分，得到均匀掺铝的球形前驱体。连将上述前驱体材料与碳酸锂混合配料，在空气气氛中，900℃烧结20h，经过破碎、筛分，得到锂离子电池正极材料lini0.50co0.20mn0.297al0.003o2。