[發(fā)明專利]一種表面改性的鋰電池高鎳正極材料的制備方法及產品

在審

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• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107240684A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發(fā)明（設計）人: 胡先羅;黃亞群
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525;C23C16/455;C23C16/40
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 張彩錦,曹葆青

技術領域

本發(fā)明屬于二次鋰離子電池領域，更具體地，涉及一種表面改性的鋰電池高鎳正極材料的制備方法及產品。

背景技術

隨著社會的不斷進步，在全球經(jīng)濟飛速增長的現(xiàn)在，科學技術的不斷發(fā)展帶來的產品在人們的生活中起著不可或缺的作用，電子產品，電動汽車，醫(yī)療設備等對儲能的要求越來越高，人們對能源的需求日益增加，對社會與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要性的認識不斷深化。鋰離子電池作為新一代的綠色高能充電電池，自1990年問世以來，以其電壓高、能量密度大、循環(huán)性能好、自放電小和環(huán)境友好等突出優(yōu)點，近20年取得了迅猛發(fā)展，已被廣泛用作袖珍貴重家用電器如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等的電源，目前鋰離子電池正極材料主要包括鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、高鎳正極材料等。

然而，進一步的研究表明，鋰離子電池中，由于正極材料所處的電勢較高，且脫鋰態(tài)正極材料具有較強的氧化性，易與有機電解液發(fā)生副反應，以至于惡化電池的性能。雖然鎳系正極材料LiNiO₂由于具有放電比容量高、價格低廉等優(yōu)點，然而其固有的一些缺陷也限制了其廣泛應用：如計量比的LiNiO₂難以合成、放電過程中存在較多雜相變、Ni²⁺占據(jù)Li⁺的3a位置導致陽離子混排、高鎳含量在充電末期催化活性很強，易催化電解液分解、室溫及儲存性能較差，此外，高鎳正極材料在充放電過程中存在首圈效率不高以及循環(huán)過程中由于結構由穩(wěn)定的層狀結構轉變成不穩(wěn)定的巖鹽相，導致循環(huán)性能差的問題。

由于存在上述缺陷和不足，本領域亟需對高鎳正極材料作出進一步的完善和改進，解決其在充放電過程中存在的循環(huán)性能差的問題。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種表面改性的鋰電池高鎳正極材料的制備方法及該材料，該制備方法結合高鎳正極材料自身的性能特點，采用原子層沉積技術對高鎳正極材料進行表面包覆改性，得到表面改性的鋰離子高鎳正極材料，進而采用該材料制造鋰離子二次電池，由此制得的鋰離子二次電池可克服高鎳正極材料在充放電過程中容量衰減的問題，其結構穩(wěn)定性和循環(huán)性能大大提高，此外本申請的表面改性的鋰電池高鎳正極材料還具有制備方法簡單易行、包覆層厚度易控制、適合大規(guī)模生產等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提出了一種表面改性的鋰電池高鎳正極材料的制備方法，包括以下步驟：

(a)將高鎳正極材料粉末放入原子層沉積系統(tǒng)的反應腔體中，并將所述反應腔體抽真空5s～10s，所述高鎳正極材料為LiNi_xCo_yM_zO₂，其中0.6≤x≤1，0≤y≤0.4，0≤z≤0.4，且x+y+z＝1，M為Mn、Al、Mg、Ti中的一種或幾種；升高所述反應腔體的溫度，使得溫度保持在140℃～160℃；

(b)向所述反應腔體中通入反應源，并使得反應腔體中的壓力達到5mbar～8mbar，該反應源吸附在所述高鎳正極材料粉末的表面；

(c)向所述反應腔體中通入N₂，以帶走所述反應腔體中過剩的反應源，通入時間為120s～150s；

(d)繼續(xù)向所述反應腔體中通入H₂O，直至所述反應腔體的壓力達到5mbar～8mbar時停止通入，該H₂O與吸附在所述高鎳正極材料表面的所述反應源發(fā)生反應，以在所述高鎳正極材料的表面沉積獲得氧化物薄膜；

(e)然后向所述反應腔體中通入N₂，以帶走所述反應腔體中的反應副產物和過剩的H₂O，通入時間為120s～150s；

(f)重復步驟(b)～(e)獲得具有所需沉積厚度的表面改性的鋰電池高鎳正極材料。

作為進一步優(yōu)選的，所述反應源為金屬有機物、金屬單質和金屬鹵化物中的一種；所述金屬有機物、金屬單質和金屬鹵化物中采用的金屬元素為Ti、Al、Fe、Zn中的一種。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種表面改性的鋰電池高鎳正極材料，其由所述的方法制備。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種正極極片，所述正極極片包括集流體和涂覆在該集流體上的所述的表面改性的鋰電池高鎳正極材料。

作為進一步優(yōu)選的，所述正極極片還包括導電劑和粘結劑，所述導電劑、粘結劑和表面改性的鋰電池高鎳正極材料三者混合后涂覆在所述集流體上。