[發明專利]一種基于相圖設計的核殼結構鋰電正極材料及其設計方法

在審

• 申請號: 201410137902.X
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN104979528A
• 公開（公告）日: 2015-10-14
• 發明（設計）人: 張聯齊;郭建
• 申請（專利權）人: 張聯齊
• 主分類號: H01M4/1391
• 分類號: H01M4/1391;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于鋰離子電池正極材料技術領域，特別涉及利用相圖設計核殼結構三元材料的方法以及該正極材料及其前驅體的制備方法。

背景技術

自1991年日本索尼公司將鋰離子二次電池商業化以來，鋰離子二次電池便在“3C”產品中廣泛應用。目前，鋰離子二次電池正極材料仍以鈷酸鋰為主，但由于鈷礦少、價格昂貴，并且有毒，因此需要研究其他正極材料作為其替代產品。近年來，由于三元材料Li[NixCoyMn1-x-y]O2高容量、低成本，因此引起研究者的廣泛關注。但是由于該材料在約220℃左右時在充電狀態下材料表層的Ni4+和Co4+及NiO與電解液發生，放出大量熱及氧氣，從而使材料的循環性能降低并且影響其安全性能，且材料的壓實密度很難與鈷酸鋰相當，所以目前在國內很少實現商業化。最近大量研究發現在核心材料表面包覆一層“厚”殼可以有效的保護核心材料，提高了材料的使用壽命及安全性能，但是從文獻報道及相關發明專利來看，目前對核殼結構材料的設計還只是停留在單個成分點的合成實驗上，還沒有找到一種系統有效的方法可以方便快捷的對一系列三元材料進行核殼結構設計，不能夠針對目前市場對三元材料提出的高安全性、高容量和高壓實進行相應的結構設計，這在目前的國內外三元材料的科研及生產領域還是一個空白。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提供一種基于鎳鈷錳三元相圖分析用于球型或類球形鋰離子電池材料核殼結構設計的方法。通過對于三元相圖和目前所有的核殼結構三元材料的大量分析，我們發現核殼結構三元材料可以在相圖上清晰的表示出來，而其結構特征也可以通過相圖直觀反映，同時相圖中不同區域材料具有其獨特的功能，可以形成高容量區、高安全性區及高密度區等不同的功能區。通過對不同功能區材料進行快速準確的核殼結構設計實現核材料與殼材料功能互補，使其成為一種有別于核或殼本身的獨特的復合功能材料，可以滿足鋰電池市場上對三元材料的高容量、高安全性、高壓實密度的要求，填補目前鋰電池生產領域的一個空白。

本發明另一目的是提供一種基于鎳鈷錳三元相圖分析方法設計出的新型核殼結構三元材料。其分子式結構特征為：Li[(Ni_nCo_1-m-nMn_m)_b(Ni_cCo_dMn_1-c-d)_a]O₂，其中0≤a，b≤1且a+b=1、1／3≤n≤0.5、1／3≤m≤0.5、1≥d≥0.7、0≤c≤0.3且d+c≤1。其總分子式為Li(Ni_0.6Co_0.2Mn_0.2)O₂。該種材料選擇三元相圖中的高安全性區的Li(Ni_nCo_1-m-nMn_m)_bO₂為材料作為殼部分；選擇三元相圖中的高容量區Li(Ni_dCo_cMn_1-c-d)aO₂為材料核部分，該三元材料整體性能相比于現有的三元正極材料，在放電比容量、循環穩定性、熱穩定性及安全性料整體性能相比于現有的三元正極材料，在放電比容量、循環穩定性、熱穩定性及安全性能上均得到有效提高。

本發明的另一個目的提供上述核殼結構三元材料及其前驅體的制備方法。

為了解決上述技術問題，本發明予以實現的技術方案是：

本發明基于鎳鈷錳三元相圖分析的球型或類球形鋰離子電池材料核殼結構的設計方法是：以LiNiO₂、LiCoO₂和LiMnO₂為等邊三角形三個頂點；且，在LiNiO₂頂點處；Ni含量設為1，Co和Mn的含量均分別設為0；在LiCoO₂頂點處：Co含量設為1，Ni和Mn的含量均分別設為0；在LiMnO₂頂點處：Mn含量設為1，Co和Ni的含量設為0；則在等邊三角形內任意一點所代表的分子式表示為Li(Ni_xCo_yMn_1-x-y)O₂，其中，0≤x，y≤1。