[發明專利]一種高電壓高倍率型復合正極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110992262.0
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113707865A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 趙尹;薛曉銀;施利毅;金楓;袁帥
• 申請（專利權）人: 上海大學;上海大學（浙江·嘉興）新興產業研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525;C01G53/00;C01G23/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 李博

本發明提供了一種高電壓高倍率型復合正極材料及其制備方法和應用，屬于電極材料技術領域。本發明提供的高電壓高倍率型復合正極材料，包括四方相鈦酸鋇納米顆粒和單晶富鎳三元正極材料，所述四方相鈦酸鋇納米顆粒分散鉚合在單晶富鎳三元正極材料表面。本發明借助具有高介電特性的四方相納米鈦酸鋇，在單晶富鎳三元正極材料構建鋰離子快速穿梭通道，提升了鋰離子的傳輸性；且得益于在單晶富鎳三元正極材料表面均勻分散的鈦酸鋇顆粒，在正極表面形成均勻分布的鋰離子傳輸通道，抑制電極的極化現象，因此提高了單晶富鎳三元正極材料在高倍率、高截至電壓以及長時間循環下的電化學性能和結構的穩定性。

技術領域

本發明涉及電極材料技術領域，尤其涉及一種高電壓高倍率型復合正極材料及其制備方法和應用。

背景技術

富鎳三元正極材料LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O₂(簡稱NCM)由于其高比容量，成本低，對環境友好等優勢而備受研究者關注。目前，正極材料能量密度的提升有兩種途徑，一是高鎳化路線，用以提高電極材料的克容量；二是單晶化路線，用以提升電極材料的電壓。

與多晶結構相比，單晶結構的NCM正極材料結晶度更高、層狀結構更穩定、各向異性特征，使單晶結構在循環性能、熱穩定性以及產氣量等指標上都要優于傳統的多晶NCM正極材料。盡管單晶NCM擁有以上優勢，但是單晶更大的顆粒尺寸(3-10μm)以及極少暴露的Li⁺擴散面，導致其在倍率性能方面的表現欠佳，在高倍率下的電化學性能不具優勢。且快充過程中，單晶結構正極材料的極化(歐姆，濃差和電化學)現象更為明顯，導致活性材料的利用程度受限，產生過多的熱量，電池安全性下降。此外，高電壓下的性能的衰減也是單晶正極材料面臨的問題。近期美國西北太平洋國家實驗室的JieXiao團隊研究高電壓循環對單晶富鎳正極材料(LiNi_0.76Mn_0.14Co_0.7O₂)的結構穩定性的影響，發現晶格中鋰原子濃度梯度引起的局部應力積累，引發不可逆(003)晶面滑移以及一定程度的微裂紋(Science370,1313–1317(2020))，導致容量快速衰減，即正極材料的結構穩定性是導致電極容量快速衰減的關鍵因素。可見，如何保證正極材料在高倍率、高截至電壓以及長時間循環下的電化學性能和結構的穩定性是單晶結構的NCM正極材料需要克服的問題。

目前，針對電極材料的高電壓和高倍率特性，主要從改善正極材料對鋰離子的傳輸能力和界面結構穩定性角度出發。減小正極顆粒粒徑是提高其鋰離子傳輸能力的策略之一。通過減小正極顆粒尺寸，可有效地縮短鋰離子的擴散距離；同時顆粒尺寸的減小還可增大其與電解液的接觸面積，增加可反應的活性位點，進而提高電極材料的電化學性能。但顆粒尺寸的減少易造成制漿過程的團聚問題，導致漿料的分散性能變差，同時也會造成正極材料與導電劑混合性變差等問題，導致電極材料的電化學性能下降。而目前還通常在正極材料表面包覆電子導電包覆層如碳基材料，導電聚合物；導鋰離子包覆層等策略也可提高正極材料的鋰離子的傳輸能力，同時也可改善界面結構問題性問題，改善正極材料在在高壓高倍率時存在的電化學性能下降的問題。但采用包覆策略，需在正極表面形成均勻并致密的包覆層，制備工藝過程較為困難和復雜，制備過程條件的調控更為嚴格。

因此，亟需構建一種能夠作為高電壓高倍率型復合正極材料的功能納米顆粒，使復合正極材料在高倍率、高截至電壓以及長時間循環下的電化學性能和結構的穩定性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高電壓高倍率型復合正極材料及其制備方法和應用，本發明提供的高電壓高倍率型復合正極材料在高倍率、高截至電壓以及長時間循環下具有優異的電化學性能和結構的穩定性。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種高電壓高倍率型復合正極材料，包括四方相鈦酸鋇納米顆粒和單晶富鎳三元正極材料，所述四方相鈦酸鋇納米顆粒分散鉚合在單晶富鎳三元正極材料表面。