[發明專利]正極活性材料、電化學裝置和電子設備

在審

• 申請號: 202210822314.4
• 申請日: 2022-07-12
• 公開（公告）號: CN115020678A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 吳冠宏;楊文龍;孫化雨
• 申請（專利權）人: 遠景動力技術（江蘇）有限公司;遠景睿泰動力技術（上海）有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 王艷齋

本發明提供了一種正極活性材料、電化學裝置和電子設備，所述正極活性材料包括磷酸錳鐵鋰，所述磷酸錳鐵鋰中包括摻雜離子，沿所述磷酸錳鐵鋰的顆粒從內向外，所述磷酸錳鐵鋰中錳元素和摻雜離子的含量梯度降低，鐵元素的含量梯度增加。本發明的正極活性材料含有特定的元素分布，有利于緩解循環過程中金屬錳的溶出，提高材料的電子/離子電導率，降低界面電阻，進而提高電化學裝置的容量、倍率性能和穩定性。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，涉及一種正極活性材料、電化學裝置和電子設備。

背景技術

磷酸鐵鋰具有結構穩定性好、熱穩定性好、安全性能好、循環壽命好、原材料來源豐富等優勢，在儲能電池和電動汽車電池得到越來越多的應用。但是，磷酸鐵鋰的平臺電壓只有3.4V vs.Li/Li⁺，導致其能量密度受限。磷酸錳鋰具有和磷酸鐵鋰相同的橄欖石型結構，相較于磷酸鐵鋰，磷酸錳鋰具有更高的平臺電壓，但是其本征鋰離子固相遷移速率低，充電極化大。

現有技術主要通過對磷酸錳鋰的錳位進行部分鐵摻雜或替換，以得到磷酸錳鐵鋰，來提高磷酸錳鋰或磷酸鐵鋰的能量密度和電導率，盡管如此，錳帶來的極化問題仍然很嚴重。此外，在充放電過程中磷酸錳鐵鋰中的錳易析出，于正極表面形成氟化錳，或者溶于電解液于負極析出，導致電池循環過程中能量損失。因此，制備一種容量高、內阻小、穩定性好的磷酸錳鐵鋰材料對電化學裝置的研究與發展有著重要意義。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種正極活性材料、電化學裝置和電子設備。本發明的正極活性材料包括含有摻雜離子的磷酸錳鐵鋰，磷酸錳鐵鋰中摻雜離子和錳元素從內至外梯度降低，鐵元素梯度增加，有利于緩解循環過程中金屬錳的溶出，提高材料的電子/離子電導率，降低界面電阻，提高材料的倍率性能，進而提高電化學裝置的容量、倍率性能和穩定性。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種正極活性材料，所述正極活性材料包括磷酸錳鐵鋰，所述磷酸錳鐵鋰中包括摻雜離子，沿所述磷酸錳鐵鋰的顆粒從內向外，所述磷酸錳鐵鋰中錳元素和摻雜離子的含量梯度降低，鐵元素的含量梯度增加。

本發明采用特殊結構的磷酸錳鐵鋰作為正極活性材料，磷酸錳鐵鋰顆粒中從內向外，錳元素含量梯度遞減，鐵元素含量梯度遞增，有利于緩解磷酸錳鐵鋰循環過程中金屬錳的溶出問題，還能夠改善界面相關的內阻，提高正極活性材料的倍率性能。同時，本發明的磷酸錳鐵鋰中含有摻雜元素，且摻雜元素含量隨錳元素含量變化一致，均為從內向外梯度遞減，有利于提升磷酸錳鐵鋰的電子/離子電導率，改善錳過量帶來的鋰離子傳輸速率下降問題，錳元素、鐵元素和摻雜離子三者特定的梯度分布結構，協同作用，共同降低正極活性材料的直流電阻，提升材料的容量、倍率性能和穩定性。

優選地，所述磷酸錳鐵鋰的化學式為Li_xMn_yFe_1-y-zM_zPO₄，其中0.9≤x≤1.1，例如可以是0.1、0.3、0.5、0.7或0.9等，0.5≤y≤0.95，例如可以是0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或0.95等，0.0005≤z≤0.01，例如可以是0.0005、0.001、0.002、0.004、0.006、0.008或0.01等，M包括Mg、Co、Ni、Ti、V、Cr和Zr中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是Mg和Co的組合，Ni和Ti的組合，Cr和Zr的組合，Co、Ni和Ti的組合，或Ni、Ti、V、Cr和Zr的組合等。

本發明中采用特定的摻雜離子Mg、Co、Ni、Ti、V、Cr和Zr等，并配合一定的摻雜比例，進一步提高正極活性材料的電子/離子電導率，提高材料的容量和倍率性能。

優選地，所述磷酸錳鐵鋰的表面還包覆有碳。