[發明專利]一種磷酸鋰改性高鎳系鎳鈷錳酸鋰正極材料制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202110926719.8
• 申請日: 2021-08-12
• 公開（公告）號: CN113782715A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 李磊;李英博;喬祎德;史曉薇;王亞玲;張巖
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種磷酸鋰改性高鎳系鎳鈷錳酸鋰正極材料制備方法及其應用，包括：通過共沉淀法制備高鎳系鎳鈷錳酸鋰正極材料前驅體；將所得到的前驅體與鋰鹽均勻混合制備反應混合物；將此混合物在氧氣氛圍下高溫煅燒制備高鎳系鎳鈷錳酸鋰正極材料。本發明通過一次燒結過程即可完成對高鎳系鎳鈷錳酸鋰正極材料的Li₃PO₄表面包覆，經過包覆后的正極材料的表面平整而均勻，沒有裂紋產生，且具有較高的循環穩定性和倍率性能，經過400次充放電循環后放電容量保持率可達到87.8％，在5C的倍率下放電容量可達到134.7mAh/g；另外本發明采用的工藝流程簡單、方便操作、可重復性較強，成本較低，而且反應過程中所用溶劑為水，產生的廢液容易處理，環保性高，有利于商業化應用。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池正極材料領域，具體涉及一種磷酸鋰改性高鎳系鎳鈷錳酸鋰正極材料制備方法及其應用。

背景技術

鋰離子電池具有輸出電壓高、能量密度高、循環壽命長、自放電率小、環保型高等優點，作為一種新型能源儲存技術在3C市場、電力系統、電動汽車等領域具有廣泛需求。隨著這些電子器件領域的發展，對鋰離子電池的能量密度、安全性、循環壽命等提出了更高的要求。鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解液等組成。其中，正極材料是制約高性能鋰離子電池發展的關鍵。

目前，鋰離子電池正極材料主要有層狀結構的鈷酸鋰(LiCoO₂)、錳酸鋰(LiMn₂O₄)、磷酸鐵鋰(LiFePO₄)、鎳鈷鋁酸鋰(LiNi_xCo_yAl_(1-x-y-z)O₂)和鎳鈷錳酸鋰(LiNi_xCo_yMn_(1-x-y-z)O₂)。LiCoO₂的優勢是其具有相對高的能量密度，但是受到高成本的限制。LiMn₂O₄優點是成本低廉，環保性好，安全性好，缺點是其較低的比容量和差的高溫性能。LiFePO₄具有安全性好，循環壽命長多等優勢，用于動力鋰離子電池，但是其低溫性能和儲能性能有待提高。和上述正極材料相比，鎳鈷錳酸鋰三元正極材料在成本、循環壽命、功率密度、能量密度及安全性方面表現出良好的綜合性能，是目前發展的重點。

在鋰離子鎳鈷錳酸鋰正極材料中，高鎳系鎳鈷錳酸鋰由于其較高的鎳元素含量，具有較高的比容量而受到廣泛關注。但是，鎳含量提高也引發了一些列的問題，比如鎳鈷錳酸鋰正極材料對空氣和水的敏感性增強，更易發生副反應而在表面形成殘堿等影響容量和庫倫效率，其結構也較較易遭到破壞，進而導致其容量的快速衰減。造成這些問題的深層原因主要有：1)由于Li⁺和Ni⁺的半徑相近，在循環過程中易出現Li⁺/Ni⁺混排的現象，影響結構穩定性；2)在電化學循環過程中隨著氧化還原反應的進行，也伴隨著多重相變的產生。正極材料也由穩定層狀結構轉變為尖晶石結構或巖鹽結構，導致鋰離子的脫嵌/嵌入受到阻礙，由此引起容量下降；3)有機電解液對正極材料的侵蝕也會破壞正極材料的結構，引起容量下降；4)充放電過程中體積膨脹，導致該材料破裂，影響其電化學儲能性能。