[發明專利]一種納微分級結構三元正極活性材料、前驅體及其制備和應用

有效

• 申請號: 202010169188.8
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN113387398B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 方靜;安浩;王小涵;覃富榮;張凱;張治安;洪波;賴延清
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/02
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發明屬于鋰離子電池正極材料領域，具體涉及一種納微分級結構三元正極復合材料前驅體及其制備和應用。本發明中，將包含三元正極活性材料的前體金屬源、N,N?二甲基甲酰胺和甘油的混合溶液進行溶劑熱處理，分離得到具有啞鈴狀形貌的三元正極活性材料前驅體；所述的N,N?二甲基甲酰胺和甘油的體積比為3～5:1。將所述的前驅體進行鋰化燒結，即可得到所述特殊形貌的材料。本發明方法工藝簡單，成本低廉，可控化制備出的富鋰錳基正極材料元素沉淀均勻，納微分級結構具有良好的循環穩定性和優異的電化學性能。

技術領域

本發明屬于儲能技術領域，具體涉及一種納微分級結構三元正極活性材料前驅體及其制備和應用。

背景技術

近年來，隨著經濟的發展和科技的進步，能源問題和環境問題已經成為目前所有人關注的重點。化石燃料的過度消耗以及能源需求的增長，使得清潔能源的開發和利用變得極為迫切。鋰離子二次電池作為目前數碼、電動汽車產品等領域的首選電源，因為其具有高能量密度、高工作電壓、長循環壽命和無污染等優點。

正極材料作為鋰離子電池的主要組成部分，對鋰離子電池容量起決定性作用。目前，以鈷酸鋰為代表的正極材料容量一般低于200mAh/g，其較低的容量在很大程度上限制了鋰離子動力電池的發展。因此，研發出一種可逆容量高、循環穩定性好的高性能正極材料具有戰略性意義。

三元正極活性材料例如富鋰錳基層狀正極材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Mn、Ni、Co)]具有高比容量，高能量密度，良好的熱穩定性，較寬的充放電電壓范圍(2～4.8V)，且主要以資源相對豐富的錳為主含量而備受關注，被認為是新一代鋰離子電池正極材料的主流產品。然而，富鋰錳基材料的高容量均是在較低的倍率下(0.05C)獲得，且材料循環穩定性較差，首圈效率較低，循環過程存在相變，倍率性能差等問題，影響了其在實際中的應用。材料形貌特征與結構會直接影響材料的電化學性能，而常規的制備方法如高溫固相法，溶膠凝膠法，共沉淀法等很難控制產物的形貌特征，且這些方法在使用過程中能耗高，耗時長。另外，富鋰錳基正極材料屬于多元多相復雜體系，很難在特定的條件下自然形成既具有特殊形貌的材料，又同時保證所有元素在材料中分子級的均勻分布。

因此，亟需開發出一種簡單的制備方法，以實現正極活性材料形貌可控化合成，解決現有技術中存在的制備過程能耗高、耗時長且難以控制產物形貌特征的問題。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種納微分級結構的三元正極活性材料(本發明也稱為啞鈴狀納微分級結構的三元正極活性材料，或者簡稱為三元正極活性材料)。旨在提供一種特殊啞鈴形貌、且具有優異電化學性能的全新三元正極活性材料。

本發明第二目的在于，提供一種納微分級結構的三元正極活性材料前驅體(本發明也稱為啞鈴狀形貌前驅體或者簡稱前驅體)的制備方法，只在制得一種特殊啞鈴形狀的前驅體材料。

本發明第三目的在于，提供一種所述的納微分級結構的三元正極活性材料的制備方法，旨在制得所述特殊形貌的三元正極活性材料。

本發明第四目的在于，提供一種所述的納微分級結構的三元正極活性材料的應用方法。

本發明第五目的在于，提供一種包含所述的納微分級結構的三元正極活性材料的正極材料、正極以及鋰離子電池。

一種納微分級結構三元正極活性材料，具有啞鈴狀形貌。優選為由三元正極活性材料一級結構組裝成的具有啞鈴狀二級形貌的材料。

本發明提供了一種具有啞鈴形貌的三元正極活性材料。該材料中部聚集交互成狹部，且兩端發散成寬部。本發明所述的材料，形貌類似P電子云。本發明所述的特殊形貌的材料具有優異的結構穩定性，具有優異的電化學性能；例如，具有優異的倍率性能和循環穩定性。

所述的三元正極活性材料一級結構為三元正極活性材料的納米棒、納米線、納米片、納米球中的至少一種。