一种低能耗高镍三元材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种低能耗高镍三元材料的制备方法 (Preparation method of low-energy-consumption high-nickel ternary material ) 是由 李佳军 钱飞鹏 赵春阳 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低能耗高镍三元材料的制备方法,工艺简单,实用性强,批量化生产可实现全自动；首先选用高镍低钴前躯体,工业1级碳酸锂作为原料,成本更低；采用固相掺杂纳米级金属元素有益于稳定材料的晶体结构,使之在充放电过程中不易破坏,并有效降低烧结残余碱量,提高充放电性能；使用空气氧气各半的进气条件,相对纯氧成本更低,又能保证材料在合成过程中的催化作用；采用大容量匣钵,更多的装载带来了产量的提升,生产过程中下层匣钵的气体挥发不充分,较上层可以减少装载来达到性能的平衡。(The invention discloses a preparation method of a low-energy-consumption high-nickel ternary material, which has the advantages of simple process, strong practicability and full automation in batch production; firstly, a high-nickel low-cobalt precursor and industrial grade-1 lithium carbonate are selected as raw materials, so that the cost is lower; the solid phase doped nano-scale metal elements are beneficial to stabilizing the crystal structure of the material, so that the material is not easy to damage in the charging and discharging process, the residual alkali amount in sintering is effectively reduced, and the charging and discharging performance is improved; the air intake condition of each half of air and oxygen is used, so that the cost is lower than that of pure oxygen, and the catalytic action of the material in the synthesis process can be ensured; the large-capacity saggars are adopted, more loading brings improvement of yield, gas volatilization of the saggars on the lower layer is insufficient in the production process, and the loading can be reduced compared with the saggars on the upper layer to achieve balance of performance.)
技术领域
本发明涉及一种低能耗高镍三元材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及三元材料(镍钴锰酸锂)。其中三元材料(镍钴锰酸锂)凭借循环性能好、高容量、高能量密度等优点，占据锂离子电池正极材料市场的最大份额。三元材料主要由镍钴锰三种金属元素组成的复合型金属氧化物(LiNixC0yMn1-x-yO2)。按照比例的不同分为333、523、622、811等几种不同类型产品，其中以523三元正极材料市场需求最大。
常规的三元材料采用高温固相法，用高品质的锂源、前驱体加微量掺杂物充分混合后进行高温烧结，烧结过程辅以压缩空气或高纯氧气催化。窑炉烧结过程需控制好进气量、排气量、装钵量、烧结温度曲线及时间。每一项环节都会影响产品的能耗。
锂源占整个产品原料成本的40％，高品质锂源比普通级的价格高出3000-5000/吨；钴是三元材料里成本最高的金属物，三元材料(LiNi0.5C00.2Mn0.3O2)相比高镍产品钴的比例更高，前驱体成本也会更高；
烧结过程为了控制杂质气体的排出，会加大排气量、控制装钵量，产品又需要足够的气氛来保证材料在合成过程中的性能，进气量也必须加大。这就导致产量的受限及能耗的变大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中三元材料的成本高，能耗大的缺陷，提供一种低能耗高镍三元材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
选用一种高镍的三元前驱体，分子式为Ni0.55C00.15Mn0.3(OH)2，控制其颗粒D50为9-11μm；一种工业1级碳酸锂(主含量99.4％)，控制其颗粒D50为7-9μm。作为性价比较高的原料。
原料端锂源用工业1级，即保证了产品的质量也降低了材料的成本；高镍三元材料(LiNi0.55C00.15Mn0.3O2)相比三元(LiNi0.5C00.2Mn0.3O2)，提高了镍含量，减少了钴含量。使得材料有更高的能量密度及容量发挥，同时又降低了材料的成本；烧结过程气氛控制可用50％氧气和50％空气相结合的方式，给与材料合成过程必要的氧浓度，用大尺寸匣钵来提高装载量，可以灵活运用上下层不同的装钵量，加快窑炉推速来减少烧结周期等方式来降低烧结能耗；混合过程可通过少量掺杂一种或多种金属氧化物来满足材料的电化学性能及碱量的控制。
制备方法：称取适量的高镍前驱体、碳酸锂，掺杂定量比例的金属元素(纳米级铝、钛、镁、锆、铌等金属氧化物)。其中锂源与高镍前躯体的比例为1.02～1.1：1、金属元素A的添加量为理论产品质量的0.1％～0.5％。
把称重完的原料放入高速混合机充分混合，时间：25-40min，转速：300-500rpm，混合完成后测其生料锂含量是否合格。
把合格的配混料置于辊道炉(双推四列)煅烧，设定升温段：4～6h；恒温段：8～14h；降温段：4～6h。恒温温度：880～950°。同时通入空气跟氧气，进气量：100～200m3/h，监测窑炉氧浓度大于40％。使用匣钵尺寸为：830*830*100mm，装载量上层：6～10kg；下层5～7kg,烧结完成后分别测其上下层碱含量。
合格的烧结物料进行破碎，合批，过筛，除铁，包装后即可得到高镍三元正极材料。
有益效果：本发明工艺简单，实用性强，批量化生产可实现全自动；首先选用高镍低钴前躯体，工业1级碳酸锂作为原料，成本更低；采用固相掺杂纳米级金属元素有益于稳定材料的晶体结构，使之在充放电过程中不易破坏，并有效降低烧结残余碱量，提高充放电性能；使用空气氧气各半的进气条件，相对纯氧成本更低，又能保证材料在合成过程中的催化作用；采用大容量匣钵，更多的装载带来了产量的提升，生产过程中下层匣钵的气体挥发不充分，较上层可以减少装载来达到性能的平衡。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例1成品取样后测试扫描电镜；
图2是实施例2成品取样后测试扫描电镜；
图3是实施例3成品取样后测试扫描电镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
在高混计量系统原料仓内分别投入高镍三元前驱体Ni0.55C00.15Mn0.3(OH)2，要求D50为9～11μm、工业1级碳酸锂，要求D50为7～9μm。
设定前驱体跟碳酸锂的计量标准值分别为210.4kg、89.2kg，开启计量要求计量结果跟标准值的偏差不能超过0.15％。手动加入称量好的添加剂纳米级氧化铝420g。设定转速400rpm，混合30分钟后测其锂含量，如不合格则追混10分钟。
将混合好的生料通过螺旋输送过渡至装钵计量系统，分别设定上层匣钵装载为10kg，下层匣钵装载为7kg。匣钵尺寸为：830*830*100mm。
把装载好的匣钵送入双层四列气氛辊道炉内，窑炉设定按2小时升至500℃、4小时升至930℃，930℃保温12小时，自然冷却，整个烧结周期为24小时。烧结过程同时通入空气跟氧气各半，总进气：200m3/h，开启强排风，炉内氧浓度：50％。物料出炉后测其上下层碱量，其结果见表1。
物料冷却后送入旋轮磨机粗碎、再输送至机械磨细碎，控制其粒度D50：9～15μm。粉碎好的物料输送至气混仓合批，通入干燥空气开启混合，时间为10分钟。最后过400目振动筛并除铁、包装得到物料，可选择吨包或小包自由切换。整个后处理工艺均在干燥密闭的环境中，要求环境露点在10以内。得到的成品取样后测试扫描电镜(参见图1)及半电池性能测试(0.1C，2.75-4.3V)，其结果参见表1。
实施例2：
在高混计量系统原料仓内分别投入高镍三元前驱体Ni0.55C00.15Mn0.3(OH)2，要求D50为9～11μm、工业1级碳酸锂，要求D50为7～9μm。
设定前驱体跟碳酸锂的计量标准值分别为210.4kg、89.2kg，开启计量要求计量结果跟标准值的偏差不能超过0.15％。手动加入称量好的添加剂纳米级氧化铝420g。设定转速400rpm，混合30分钟后测其锂含量，如不合格则追混10分钟。
将混合好的生料通过螺旋输送过渡至装钵计量系统，分别设定上层匣钵装载为9kg，下层匣钵装载为6kg。匣钵尺寸为：830*830*100mm。
把装载好的匣钵送入双层四列气氛辊道炉内，窑炉设定按2小时升至500℃、4小时升至920℃，920℃保温12小时，自然冷却，整个烧结周期为24小时。烧结过程同时通入空气跟氧气各半，总进气：200m3/h，开启强排风，炉内氧浓度：50％。物料出炉后测其上下层碱量，其结果见表1。
物料冷却后送入旋轮磨机粗碎、再输送至机械磨细碎，控制其粒度D50：9～15μm。粉碎好的物料输送至气混仓合批，通入干燥空气开启混合，时间为10分钟。最后过400目振动筛并除铁、包装得到物料，可选择吨包或小包自由切换。整个后处理工艺均在干燥密闭的环境中，要求环境露点在10以内。得到的成品取样后测试扫描电镜(参见图2)及半电池性能测试(0.1C，2.75-4.3V)，其结果参见表1。
实施例3：
在高混计量系统原料仓内分别投入高镍三元前驱体Ni0.55C00.15Mn0.3(OH)2，要求D50为9～11μm、工业1级碳酸锂，要求D50为7～9μm。
设定前驱体跟碳酸锂的计量标准值分别为210.4kg、89.2kg，开启计量要求计量结果跟标准值的偏差不能超过0.15％。手动加入称量好的添加剂纳米级氧化铝420g。设定转速400rpm，混合30分钟后测其锂含量，如不合格则追混10分钟。
将混合好的生料通过螺旋输送过渡至装钵计量系统，分别设定上层匣钵装载为8kg，下层匣钵装载为5kg。匣钵尺寸为：830*830*100mm。
把装载好的匣钵送入双层四列气氛辊道炉内，窑炉设定按2小时升至500℃、4小时升至910℃，910℃保温12小时，自然冷却，整个烧结周期为24小时。烧结过程同时通入空气跟氧气各半，总进气：200m3/h，开启强排风，炉内氧浓度：50％。物料出炉后测其上下层碱量，得到的成品取样后测试扫描电镜(参见图2)其结果见表1。
物料冷却后送入旋轮磨机粗碎、再输送至机械磨细碎，控制其粒度D50：9～15μm。粉碎好的物料输送至气混仓合批，通入干燥空气开启混合，时间为10分钟。最后过400目振动筛并除铁、包装得到物料，可选择吨包或小包自由切换。整个后处理工艺均在干燥密闭的环境中，要求环境露点在10以内。得到的成品取样后测试扫描电镜(参见图3)及半电池性能测试(0.1C，2.75-4.3V)，其结果参见表1。
表1实施例1-3的半电池性能测试结果
结论：根据不同匣钵装载量，产量越少，烧结性能越好，晶体完整度越高。上下层的差异也较明显，实际生产可根据不同情况来调节上下层的装钵量。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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