[發明專利]高安全雙摻雜的高鎳三元正極材料及其制備方法和鋰離子電池

在審

• 申請號: 202010610486.6
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111646523A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 楚志穎;崔軍燕;陳修好;李嘉俊
• 申請（專利權）人: 蜂巢能源科技有限公司
• 主分類號: C01G53/00
• 分類號: C01G53/00;H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種高安全雙摻雜的高鎳三元正極材料及其制備方法和鋰離子電池。所述高鎳三元正極材料包括多晶鎳鈷錳酸鋰基體，所述多晶鎳鈷錳酸鋰基體中Ni元素的摩爾含量占Ni、Co和Mn三元素總摩爾量的80％以上，Zr和Sr元素摻雜在多晶鎳鈷錳三元正極基體中。本發明的高鎳三元正極材料相比于現有技術在不降低高鎳三元正極材料中Ni元素比例下，即不降低其比容量的前提下，顯著提高了其熱穩定性。同時，由于鎳元素價格遠遠低于鈷元素，本發明中鎳元素占比高而鈷等過渡金屬占比低，兼顧了降低原材料成本的優勢。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，涉及一種高安全雙摻雜的高鎳三元正極材料及其制備方法和鋰離子電池。

背景技術

可逆二次電池作為21世紀的綠色能源之一，其代表性產物經過數十年的發展由鉛蓄電池到現在的鋰離子電池，從能量密度、循環壽命、體積重量、環境保護方面都有了極大地進步，已經從最初僅應用于手機、筆記本電腦、攝像機等3C數碼設備中，到目前發展至可應用于混合式電動汽車甚至純電動汽車的動力鋰離子電池，由此為人們的生活帶來了極大地便利。

鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳錳鈷酸鋰三元正極材料等是目前市面上主流的動力鋰離子電池正極材料。磷酸鐵鋰雖然循環性能好、壽命長，但是能量密度低、倍率性能差等缺點限制了其在小型電動汽車上的應用；鈷酸鋰由于鈷礦資源的單一性，造成了其鈷價格昂貴，易受市場波動影響，且鈷對環境污染較大；錳酸鋰的結構穩定性差造成了其電壓衰減嚴重，雖然目前正在往富鋰方面發展，但仍未見成效；鎳鈷錳酸鋰三元正極材料(NCM)結合了鎳、鈷、錳各個元素的優點，具有高比容量高、壽命長、安全環保等眾多優點，是目前動力鋰離子電池發展的主流方向。

高鎳三元正極材料按照三種主元素(鎳鈷錳)的比例可劃分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等類型。其中，鎳元素主要起到提高材料比容量的作用，鈷元素主要起到提高倍率、支撐層狀結構的作用，錳元素主要起到穩固整個晶體結構、提高循環的作用。因此，一般來說，鎳含量越高，比容量越高，故目前動力鋰離子電池為了盡可能提高電池的能量密度，正在逐漸往高鎳方向發展，一些正在研究的產品其鎳含量甚至已經突破了90％。

目前，高鎳三元正極材料仍然存在一些明顯的問題。由于其鎳含量較高，且依照目前的發展趨勢，為了提高比容量和能量密度，三種主元素(鎳鈷錳)的比例不斷調整，影響比容量的元素鎳所占的比例不斷增高，雖然其比容量得到了明顯提升，但是Ni元素在正極材料組分中的比例越來越高，Co、Mn這兩種起到框架支撐作用的元素比例越來越低，使其結構穩定性越來越低，熱穩定性明顯下降，直接導致了高鎳三元正極材料的安全性顯著下降，這使其安全性受到了極大的挑戰。在測試上通常使用DSC的吸/放熱峰峰值溫度來表征正極材料的熱穩定性，隨著三元正極材料的Ni含量比例逐漸升高，NCM333、NCM523、NCM622、NCM811的DSC吸/放熱峰峰值溫度最高會相差超過100℃，并且由于Ni含量的提高，在高溫循環下，電化學反應活化劇烈，循環保持率也會顯著下降。

目前主要通過對高鎳三元正極材料進行摻雜及表面改性來提高其晶體結構穩定性和表面結構穩定性，進而提高其高鎳三元正極材料的熱穩定性及高溫循環保持率。現有技術對熱穩定性的提高，大多是犧牲其比容量來達成，又或者是采取三次燒結，增加加工工藝復雜度來達成。這些方法或者降低了高鎳三元正極材料本身的高比容量優勢，或者大幅度增加了生產成本，限制了三元正極材料的發展和應用。

因此，如何在不降低高鎳三元正極材料中Ni元素比例，即不降低其比容量的前提下，提高其熱穩定性及高溫循環保持率，成為了目前高安全性及高溫工況適用性優化的主要發展方向，具有重要研究意義。

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高安全雙摻雜的高鎳三元正極材料。