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一种锂离子电池正极材料NCM811的制备方法[发明专利]

一、引言

随着我国新能源汽车产业的快速发展，对高性能锂离子电池的需求日益增加。锂离子电池作为新能源汽车的核心动力源，其性能直接影响到电动汽车的续航里程、充电速度和安全性。在众多锂离子电池正极材料中，三元材料因其高能量密度、良好的循环性能和稳定的结构而被广泛应用。其中，NCM811作为一种新型三元材料，具有更高的理论比容量和更优的循环性能，成为近年来锂离子电池领域的研究热点。

近年来，我国在NCM811正极材料的制备和应用方面取得了显著进展。据统计，我国NCM811正极材料的年产量已突破数十万吨，广泛应用于国内外知名品牌的新能源汽车中。然而，现有的制备方法在成本、环保和材料性能等方面仍存在一定局限性。因此，开发一种高效、低成本、环保的NCM811正极材料制备方法，对于推动我国新能源汽车产业的发展具有重要意义。

为了解决现有制备方法的不足，本研究提出了一种新型NCM811正极材料的制备方法。该方法以锂、钴、锰金属氧化物为原料，通过优化前驱体合成工艺、电极制备工艺以及热处理工艺，实现了NCM811正极材料的高效制备。实验结果表明，采用该制备方法制得的NCM811正极材料具有优异的循环性能、高倍率性能和良好的热稳定性。具体而言，该材料在0.5C的充放电倍率下，循环500次后容量保持率超过90%；在1C的充放电倍率下，循环1000次后容量保持率超过85%；此外，该材料在600℃的高温下，仍能保持良好的结构稳定性和电化学性能。与现有制备方法相比，本研究提出的制备方法在提高材料性能的同时，降低了生产成本和能耗，具有广阔的应用前景。

二、实验材料与设备

(1)实验材料主要包括金属氧化物前驱体，包括锂氧化物、钴氧化物和锰氧化物，具体为Li2O、Co3O4和Mn3O4，这些材料均为高纯度化学试剂，纯度达到99.9%以上。此外，实验中还使用了有机溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和无水乙醇，作为溶剂和分散剂使用。在合成过程中，还使用了氨水作为调节pH值的试剂。

(2)实验设备包括高温炉、搅拌器、离心机、超声波分散仪、手套箱、电子天平、电化学工作站等。高温炉用于前驱体的热处理，温度范围可达1000℃，搅拌器用于混合和分散材料，离心机用于分离固体和液体，超声波分散仪用于制备均匀的前驱体悬浮液，手套箱用于防止材料在制备过程中受到氧化，电子天平用于精确称量试剂，电化学工作站用于进行电化学性能测试。

(3)在实验过程中，所有材料均需在无氧或低氧环境下操作，以保证材料的纯度和性能。例如，在合成前驱体时，需要在手套箱中进行，手套箱内的氧气浓度需控制在1ppm以下。此外，实验过程中使用的溶剂和试剂均需进行干燥处理，以去除其中的水分。在测试电化学性能时，使用金属锂片作为负极，导电聚合物作为集流体，NCM811正极材料作为活性物质，电解液为1MLiPF6溶液，测试电压范围为2.5-4.5V。

三、制备方法与工艺流程

(1)制备NCM811正极材料的初始步骤为合成前驱体。首先，将金属氧化物Li2O、Co3O4和Mn3O4按照一定比例混合，并加入适量的有机溶剂NMP，形成均匀的悬浮液。随后，将悬浮液在搅拌条件下加入氨水，调节pH值至8-9，以确保金属离子充分溶解。接着，将溶液转移至高温炉中，在450℃下进行预热处理，持续2小时，以促进金属离子的溶解和均匀分布。

(2)预热处理后，将溶液转移至超声波分散仪中进行超声处理，以进一步细化前驱体颗粒，提高材料的比表面积。随后，将处理后的悬浮液在100℃下进行干燥，得到干燥的前驱体粉末。干燥完成后，将前驱体粉末在氮气氛围下，以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2小时，进行热处理以形成NCM811正极材料。

(3)热处理完成后，将得到的NCM811正极材料粉末与适量的导电剂和粘结剂混合，搅拌均匀。随后，将混合物在压片机上压制成长条形电极片，压力为15MPa，压制时间为1分钟。最后，将电极片在120℃下进行烘烤，时间为1小时，以去除水分和挥发性有机物，得到最终的NCM811正极材料电极片。

四、性能测试与结果分析

(1)对制备的NCM811正极材料进行了电化学性能测试。测试在1MLiPF6溶液中进行，采用金属锂片作为对电极，参比电极为Li/Li+，测试电压范围为2.5-4.5V。结果表明，该材料在0.5C的充放电倍率下，首次放电比容量为254mAh/g，首次充电比容量为288mAh/g，容量保持率超过90%。在1C的充放电倍率下，循环500次后，容量保持率仍达到85%。

(2)进一步测试了NCM811正极材料的高倍率性能。在2C、5C和10C的充放电倍率下，该材料的放电比容量分别为241mAh/g、225mAh/g和213mAh/g，表现