[發明專利]一種新型鋰離子電池梯度正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201611268665.6
• 申請日: 2016-12-31
• 公開（公告）號: CN108269970B
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 王競鵬;劉亞飛;陳彥彬;張學全;馮海蘭
• 申請（專利權）人: 北京當升材料科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/42
• 代理公司: 11283 北京潤平知識產權代理有限公司
• 代理人: 王崇

本發明公開了一種新型鋰離子電池梯度正極材料及其制備方法，該材料的平均組成如式：Li_0.3+δNi_xCo_yMn_zG_1?x?y?zO₂，0≤δ≤0.9，0.6≤x≤1，0≤y≤0.4，0≤z≤0.4，G為La、Cr、Mo、Ca、Fe、Hf、Ti、Zn、Y、Zr、W、Nb、Sm、V、Mg、B、Al中的一種或多種，其中摻雜元素G的含量從顆粒核心到表面持續增大，并在表面富集。本發明根據不同元素的沉淀規律進行摻雜元素優化分配，在前驅體制備過程中，通過調整不同沉淀階段摻雜元素含量來保證材料內部晶體結構達到最優化，提高現有高鎳材料的加工性能與循環壽命。此過程連續可控，操作簡單，成本低，適合大規模生產。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，特別是涉及一種新型鋰離子電池梯度正極材料及其制備方法。

背景技術

目前商用鋰離子電池正極材料主要包括鈷酸鋰LiCoO₂、尖晶石錳酸鋰LiMn₂O₄、磷酸亞鐵鋰LiFePO₄及三元材料LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，其中前三種材料的可逆容量較低，而三元材料的可逆容量隨著材料中Ni元素含量的增加而增大。通過調整材料中Ni元素含量可以得到滿足要求的材料，例如當x＝0.80時，材料的可逆容量可達190mAh·g^-1以上，屬于高容量材料，而當x＝1/3時，材料的安全性能高。但是材料的倍率性能、循環性能與安全性能不同同時滿足要求，如何在提高其循環性能與安全性能的基礎上，同時增強材料的倍率性能，成為亟待解決的關鍵問題之一。

為了解決高鎳三元材料現存的問題，需要了解材料容量衰減原因，其主要原因：(1)在進行充放電測試時，材料的晶體結構出現多次相變，其中存在不可逆相變致使晶體結構坍塌，阻礙鋰離子正常嵌入脫出，使電池阻抗增加，容量降低，其主要原因為材料的晶體結構不夠穩定，導致材料內部局部過充放現象發生；(2)高鎳三元材料表面存在Ni⁴⁺，導致電解液氧化并產氣，進而影響材料的性能。

如何改善正極材料的晶體結構及界面穩定性，改善正極材料的倍率性能、循環性能及安全性能，現有的技術手段主要分為以下三種：表面包覆及摻雜、體相摻雜及控制粒徑等。中國專利CN102884659B制備出一種具有摻雜元素的氫氧化物，該材料的本體結構穩定性增強，但界面穩定性增強效果不明顯。中國專利CN102005605B制備出一種Li配置于過渡金屬部位的含Li過渡金屬氧化物作為正極活性物質，其在高的充電電壓下的充放電循環中的循環特性優良，但該材料在首次充放電時存在氧損失，導致該材料的綜合性能不佳。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種新型鋰離子電池梯度正極材料及其制備方法，該方法能夠提供具有穩定晶體結構的材料，并且通過控制材料中各元素含量及梯度摻雜元素的合理分配，能夠有效地提高材料的循環壽命與安全性，材料制備工藝簡單，成本低廉。

為實現上述目的，本發明公開了一種新型鋰離子電池梯度正極材料，該材料的平均組成如式：Li_0.3+δNi_xCo_yMn_zG_1-x-y-zO₂，0≤δ≤0.9，0.6≤x≤1，0≤y≤0.4，0≤z≤0.4，G為La、Cr、Mo、Ca、Fe、Hf、Ti、Zn、Y、Zr、W、Nb、Sm、V、Mg、B、Al中的一種或多種，上述材料中摻雜元素G的含量從顆粒核心到表面逐漸增大，并在表面富集。

另一方面，為實現本發明的目的，本發明還提供了一種該新型鋰離子電池梯度正極材料的制備方法，具體技術方案包括以下步驟：