[發明專利]一種磷酸鋰配合導電碳材料包覆的三元正極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910240023.2
• 申請日: 2019-03-27
• 公開（公告）號: CN110098387B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 楊少鈿;樊青錄;施志聰;林凱基;劉麗英
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發明公開了一種磷酸鋰配合導電碳材料包覆的三元正極材料，包括三元正極材料、吸附并插入三元正極材料表面的導電碳材料及包覆在三元正極材料表面的磷酸鋰層，其制備方法為：將磷酸溶于溶劑中，常溫下超聲分散后持續攪拌，然后將三元正極材料與導電碳材料的混合粉末加至正在攪拌的溶液中，持續攪拌反應；最后將上述混合溶液加熱，除去溶劑，即得到磷酸鋰配合導電碳材料包覆的三元正極材料。本發明通過導電碳材料的表層包覆，形成均勻連續的完整包覆層，能夠有效的降低材料界面處的內阻，在一定程度上改善了材料的電子電導率；同時，利用化學法生成磷酸鋰為鋰離子的傳輸提供了鋰離子通道，進而提高材料的離子電導率；再者，包覆層可以有效阻止電解液對材料的腐蝕，從而大幅度提高材料的循環穩定性能。

技術領域

本發明涉及鋰電池正極材料技術領域，具體涉及鋰電池三元正極材料的改性，更具體地，涉及一種磷酸鋰配合導電碳材料包覆的三元正極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著新能源汽車的發展，鋰離子動力電池作為最熱門的電動車動力電池而備受關注。鋰離子電池已廣泛應用于各種便攜式電子設備，未來在電動自行車、電動汽車及儲能電池等領域有著廣闊的應用前景。這對鋰離子電池正極材料的性能提出了更高的要求，近年來，具有較高電壓和較高比容量的層狀富鋰的過渡金屬(Ni、Co、Mn)氧化物正極材料得到了研究者的廣泛關注。人們對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，鋰離子電池正極材料是鋰離子電池的核心，它直接影響著電池的各種性能指標，決定著電池的成本。相對發展成熟穩定的商業石墨負極，針對于高容量，長壽命，低成本，安全環保的正極材料的研發顯得尤為迫切。當前商用的鋰電池正極材料主要有層狀結構的鈷酸鋰、尖晶石結構的錳酸鋰以及橄欖石結構的磷酸鐵鋰。已商品化的鋰離子電池正極材料主要以LiCoO₂為主，但Co的自然資源缺乏，價格昂貴，對環境污染較大。尖晶石結構的LiMn₂O₄具有較高的工作電壓、價格低廉、環境友好等特點，但是較低的可逆循環容量和高溫下容量的快速衰減是阻礙其商業化應用的關鍵因素之一。LiFePO₄具有安全、環保、價格低廉、性能穩定等一系列優點，使得它具有一定的應用，但其本身較低的鋰離子擴散系數和電子電導率，使得其高倍率下的充放電性能不好。

近年來，由于優異的電化學性能、良好的熱穩定性、較低的生產成本，三元正極材料LiNi_xCo_yMn_zO₂已成為研究者和鋰離子電池制造商關注的對象，但是三元正極材料也存在陽離子混排，振實密度低，倍率性能和循環性能有待提高，與電解液兼容性不好等問題。表面包覆是改善正極材料電化學性能和熱穩定性的重要途經，因此，研究三元正極材料的包覆方法、表面包覆物的種類以及表面包覆的作用機理，有助于改善三元正極材料存在的問題。

目前，研究學者們主要從元素摻雜和表面包覆方面對三元正極材料性能做進一步的優化。摻雜改性通常是在三元正極材料的制備過程中，通過引入其它金屬離子來微調材料的晶格參數，使其更有利于提高材料結構的穩定性、擴大鋰離子的遷移通道等來提高材料的電化學性能。目前研究較多的集中在對材料進行各種各樣的表層包覆，氧化物(如Al₂O₃、MgO、ZnO、V₂O₅等)和非氧化物(如AlF₃、LiAlF₄、Li₃PO₄等)均被作為包覆材料進行研究，并在一定程度上提高了材料的電化學性能。然而，大多數的的包覆層只能單方面的提高導電性或者導離子性，無法同時提高導電性和導離子性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有三元正極材料表面包覆改性無法同時提高導電性和導離子性的缺陷和不足，通過對鎳基層狀鋰離子電池三元正極材料進行磷酸配合導電碳材料包覆改性，在有效的提高材料循環穩定性的基礎上，大幅度的提高了材料的倍率性能，特別是高倍率性能，為同時改善鎳基層狀正極材料的循環穩定性能和高倍率性能提供了切實可行的改進辦法。