[發明專利]一種高性能核殼結構高鎳系材料、其制備方法及在鋰離子電池的用途

有效

• 申請號: 201710762272.9
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107546383B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 譚強強;馮海蘭
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/525;H01M4/505;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明公開了一種高性能核殼結構高鎳系材料、其制備方法及在鋰離子電池的用途。本發明的核殼結構高鎳系材料包括均相的內核LiNi_xCo_yM_1?x?yO₂和異相的外殼，外殼和內核的元素種類相同，且外殼中Li、Ni、Co、M和O的摩爾比為1:[(x?0.06)～(x+0.06)]:[(y?0.04)～(y+0.04)]:(1?x?y):2；其中，M為Al、Mn、Ti、Zr、Zn、Fe、Mg、Nb、V、W、Ca、Cr中的一種或至少兩種的組合，0.6≤x≤1.0，0.1≤y≤0.4。本發明得到的核殼結構高鎳系材料作為正極活性材料制備得到的鋰離子電池具有容量高、高低溫循環性能優異和安全性較高等優點特性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池正極材料技術領域，涉及一種核殼結構高鎳系材料、其制備方法及用途，尤其涉及一種高性能核殼結構高鎳系材料、其制備方法及作為正極活性材料在鋰離子電池的用途。

背景技術

隨著消費類電子產品的飛速發展，純電動汽車對續航里程的要求，迫切希望大幅度提高電池的能量密度。憑借高比容量的高鎳多元正極材料成為了研究熱點。

高鎳多元材料中Ni含量的增加可以提高比容量，但材料的循環性能、安全性能有所下降，在實際應用中仍存在一些問題，主要為以下兩點：(1)充放電過程中，由于Ni²⁺和Li⁺的半徑非常接近，部分Ni²⁺會占據Li⁺的空位，發生離子混排，造成材料的不可逆容量損失；(2)材料中的Ni在高氧化態時(Ni³⁺或Ni⁴⁺)具有很強的不穩定性，高溫下會導致材料結構發生改變，并與電解液發生副反應，造成容量衰減。這些不利因素都制約了該類材料產業化發展。

如何改善高鎳多元材料的晶體結構，降低不可逆容量損失，提高循環性能、倍率性能、安全性能，現有的技術手段主要包括體相摻雜和表面包覆手段來改善材料。針對體相摻雜，國內外文獻專利(比如EP2207227(A1))報道了通過摻雜Mg、Al、Zr和Sn等元素，可以穩定材料的結構，降低陽離子混排程度，比如但是材料的放電比容量有所降低。針對表面包覆，大都采用金屬氧化物、磷酸鹽、氟化物、脫嵌鋰化合物等對高鎳正極材料進行電化學性能改善，但因為包覆物的惰性，降低了材料的克容量和導電率，摻雜和包覆都沒有從本質上解決高鎳材料電化學性能較差的問題。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本發明的目的在于提供一種核殼結構高鎳系材料、其制備方法及用途，尤其涉及一種高性能核殼結構高鎳系材料、其制備方法及作為正極活性材料在鋰離子電池的用途。本發明的核殼結構高鎳系材料增強了高鎳多元材料的晶體結構，能夠降低不可逆容量損失，改善循環性能、倍率性能和安全性等問題。

本發明所述“高性能核殼結構高鎳系材料”中的“高性能”指：該核殼結構高鎳系材料在擁有很高的放電比容量的同時在電解液中的穩定性得到了較大的提高，尤其是大電流充放電能力和高低溫循環性能，常溫1C循環100周的容量保持率在93％以上，45℃高溫下1C循環100周容量保持率在95％以上，常溫5C下的放電容量在145mAh/g以上。

為達上述目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供一種核殼結構高鎳系材料，尤其是一種高性能核殼結構高鎳系材料，所述高鎳系材料包括內核和外殼，所述內核是均相材料，所述外殼是異相材料；

所述內核的化學式為LiNi_xCo_yM_1-x-yO₂；所述外殼和內核的元素種類相同，且外殼中Li、Ni、Co、M和O的摩爾比為1:[(x-0.06)～(x+0.06)]:[(y-0.04)～(y+0.04)]:(1-x-y):2；