[發明專利]一種超容量鋰離子電池正極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610280918.5
• 申請日: 2016-04-28
• 公開（公告）號: CN105789596B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 潘鋒;段彥棟;張丙凱;鄭家新;胡江濤;劉同超;郭華;林原;李文;宋孝河;卓增慶;劉屹東
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司 44281
• 代理人: 郭燕;彭家恩

1.一種超容量鋰離子電池正極材料，由含有過渡金屬的鋰離子正極材料和包覆于所述鋰離子正極材料表面的碳組成，其特征在于：所述鋰離子正極材料表面的過渡金屬與所述碳通過X-C鍵配位，形成過渡金屬-X-C化學鍵，使得所述碳穩定的包覆于所述鋰離子正極材料的表面；并且，其中C為SP3雜化和/或SP2雜化，X為N、O和S中的至少一種；

所述含有過渡金屬的鋰離子正極材料為核-殼結構，其中，內核為正極活性材料，外殼為磷酸鐵鋰，磷酸鐵鋰外殼的表面包覆碳，所述碳通過Fe-X-C的配位結構穩定的包覆于磷酸鐵鋰外殼表面，其中X為N、O和S中的至少一種；磷酸鐵鋰外殼的厚度為1-100納米。

2.根據權利要求1所述的超容量鋰離子電池正極材料，其特征在于：所述過渡金屬為Fe、Co、Ni、V、Ti、Mo、Cu和Mn中的至少一種。

3.根據權利要求1或2所述的超容量鋰離子電池正極材料，其特征在于：所述含有過渡金屬的鋰離子正極材料為磷酸過渡金屬鋰正極材料、硅酸過渡金屬鋰正極材料、硼酸過渡金屬鋰正極材料、氟化硫酸過渡金屬鋰正極材料、過渡金屬氧化物鋰正極材料中的至少一種；

其中，磷酸過渡金屬鋰正極材料、硅酸過渡金屬鋰正極材料、硼酸過渡金屬鋰正極材料、氟化硫酸過渡金屬鋰正極材料、過渡金屬氧化物鋰正極材料中，所述過渡金屬為Fe、Mn、Co、Ni、V、Ti、Mo、Cu中的至少一種；

所述過渡金屬氧化物鋰正極材料為Li_1+y(M_aZ_bY_c)_1-yO₂和/或LiMn_2-a’M’_a’Z’_b’O₄；

所述Li_1+y(M_aZ_bY_c)_1-yO₂中，M、Z、Y不重復的選自Ni、Mn、Co、V、Ti、Mo、Cu中的一種，0≤a≤1、0≤b≤1、0≤c≤1，并且a+b+c＝1，0≤y≤1；

所述LiMn_2-a’M’_a’Z’_b’O₄中，M’和Z’不重復的選自Cr、Co、Ni、Cu、Fe、Mo、Ti和V中的一種，0≤a’≤2、0≤b’≤2。

4.根據權利要求1-3任一項所述的超容量鋰離子電池正極材料在鋰離子電池中的應用，包括將所述超容量鋰離子電池正極材料制備成5nm-100μm的正極顆粒材料，所述正極顆粒材料中超容量鋰離子電池正極材料表面的C彼此連接或至少有一點接觸在一起形成熱穩定的導電子和導鋰離子的網絡結構。

5.一種超容量鋰離子電池，其特征在于：所述超容量鋰離子電池中含有權利要求1-3任一項所述的超容量鋰離子電池正極材料。

6.根據權利要求5所述的超容量鋰離子電池的制備方法，其特征在于：包括將至少一種的權利要求1-3任一項所述的超容量鋰離子電池正極材料配成懸浮液，然后在25-220℃溫度下進行噴霧干燥，制成200nm-100μm的正極二次顆粒材料，用于制備所述超容量鋰離子電池。

7.一種采用權利要求1-3任一項所述的超容量鋰離子電池正極材料的全固態鋰電池。

8.根據權利要求7所述的全固態鋰電池，其特征在于：所述全固態鋰電池的正極片由權利要求1-3任一項所述的超容量鋰離子電池正極材料和導電材料、固態電解質制成，所述導電材料為導電納米顆粒、導電高分子、導電納米管和導電納米片中的至少一種，所述固態電解質為無機固態電解質、有機固態電解質和有機/無機復合固態電解質中的至少一種，所述全固態鋰電池的負極為碳基材料、超容量氧化物基材料、硫化物基材料、鋰金屬或鋰合金。

9.根據權利要求1-3任一項所述的超容量鋰離子電池正極材料的制備方法，其特征在于：包括將含氧、含硫或含氮的碳源制備成碳源溶液，然后將含過渡金屬的納米鋰離子正極材料和碳源溶液混合，置于球磨機中，球磨直至溶劑完全揮發，將干燥產物在惰性氣氛下，升溫至500-1000℃，恒溫2-12h，自然冷卻，即獲得含O-C鍵或S-C鍵或N-C鍵的超容量鋰離子電池正極材料；含氧的碳源為檸檬酸、葡萄糖和蔗糖中的至少一種；含硫的碳源為硫醇和/或噻吩；含氮的碳源為氨基酸和/或三聚氰胺；所述碳源溶液的濃度為0.1-2mol/L；所述碳源溶液的溶劑為水、異丙醇、乙醇、丙酮、乙二醇中的至少一種。