[發(fā)明專利]一種層狀-尖晶石復合相單晶富鋰錳基正極材料及其應用

在審

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• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115395007A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設計）人: 何昊城;任志敏;張向軍;王建濤;李國華;高振興;卓浩翔;吳艷龍
• 申請（專利權(quán)）人: 國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責任公司
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/525;H01M4/485;H01M10/0525;C30B29/22;C30B9/12
• 代理公司: 北京智橋聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11560
• 代理人: 陳安玥

提供了一種層狀?尖晶石復合相單晶富鋰錳基正極材料，所述富鋰錳基正極材料的化學通式為Li_xMn_aNi_bCo_cB_dM_eO_2?δ，其中M為Al、Ti、W、Mo、La、V、Y中的至少一種元素，1＜x≤1.3，0.3≤a≤0.8，0.1≤b≤0.5，0≤c≤0.3，0＜d≤0.055，0＜e≤0.02，e:d＝0.01～0.45:1，?0.15δ0.15，所述正極材料同時含有層狀相和尖晶石相。本發(fā)明采用復合助劑的協(xié)同作用，原位形成了尖晶石?層狀復合結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了單晶的合成，有效提高了材料性能。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰離子電池領域，具體涉及一種層狀-尖晶石復合相單晶富鋰錳基正極材料及其應用。

背景技術

更低成本、更高能量密度是鋰離子電池持續(xù)追求的技術方向，其中正極材料是影響電池特性的關鍵因素。近年來，富鋰錳基正極材料由于比容量高(250mAh/g)、平均電壓高(3.6V)、和成本低(高錳低鈷)等優(yōu)點而愈受重視，被認為是最具有潛力的下一代鋰電池正極材料。盡管如此，富鋰錳基材料仍然存在一些缺點，比如循環(huán)穩(wěn)定性差、壓實密度低等，研究者們通過摻雜、包覆等技術可以顯著提升富鋰材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而大幅提升其循環(huán)性能，但其壓實密度一直沒有得到較好的提升方法。

傳統(tǒng)的富鋰錳基材料通常是一次顆粒團聚成二次球形顆粒的多晶形貌，顆粒的自然堆砌難免產(chǎn)生空隙而降低其壓實密度，另一方面也會增加比表面積，促進了其在循環(huán)過程中產(chǎn)氣、微裂紋的產(chǎn)生，加劇了與電解液之間的副反應，進一步劣化電化學性能。在全電池制造環(huán)節(jié)中也會因壓實密度低而影響電池，這些缺點成為了其商業(yè)化應用的主要阻礙。

單晶材料具有良好的結(jié)晶度、較高的機械強度、較小的表面積，可抑制材料顆粒在循環(huán)過程中表面微裂紋的形成、與電解液副反應和循環(huán)產(chǎn)氣，是延長材料循環(huán)壽命的可行方法，也能顯著提升材料的壓實密度。

在材料燒結(jié)過程中引入助燒劑可以獲得單晶顆粒，比如中國專利CN107834063B采用氯化鉀作為添加劑獲得單晶型一維結(jié)構(gòu)的富鋰材料，但該方法使用了大量的添加劑(與鋰源摩爾比5～20:1)且工藝復雜(需洗滌)，效率較低難以實現(xiàn)批量放大。

Yang及團隊采用濕法球磨結(jié)合固相反應法獲得了不同組分比例的單晶富鋰錳基正極材料(Journal of Alloys and Compounds770(2019)490-499)，但其采用的濕法球磨的方法需要使用丙酮試劑，且樣品容易團聚。

中國專利申請CN108598457A公開了一種單晶富鋰錳基正極材料的制備方法，通過前驅(qū)體預燒和使用少量的含硼添加劑(0～2％)獲得單晶顆粒，但增加了前驅(qū)體預燒、破碎等步驟，工藝相對復雜。

中國專利申請CN114094080A公開了一種單晶型富鋰層狀-尖晶石復合正極材料及其制備方法，經(jīng)過酸洗、熱處理后期表面形成氧化物包覆層，尖晶石相的引入有利于提升材料的倍率性能，克服單晶材料鋰離子擴散差等問題，但需經(jīng)過酸洗，同樣存在工藝復雜和添加劑用量大等問題。

因此需要研究者們持續(xù)對富鋰層狀-尖晶石材料的組成、結(jié)構(gòu)以及制備工藝等開展研究，提高其綜合性能，并成功實現(xiàn)材料產(chǎn)業(yè)化。

鑒于此，本發(fā)明旨在克服以上技術缺陷，提出一種層狀-尖晶石復合相單晶富鋰錳基正極材料及其制備方法和應用。

發(fā)明內(nèi)容