[发明专利]一种高电压锂离子电池及其正极材料

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特指一种在高电压下循环过程中具有良好结构稳定性的锂离子电池正极材料及使用该正极材料的锂离子电池。

背景枝术

目前，锂离子电池由于具有高工作电压、高能量密度以及长寿命等特点，被广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式消费电子产品中。近年来，各种电子产品逐渐向小型化、智能化和功能多样化发展，这对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。

提高电池的充电电压，可以在不增加电池中活性物质的条件下显著提高电池的容量，是提高电池能量密度的最有效途径之一。以当前市场上常见的型号为454261(长为61mm，宽为42mm，厚为4.5mm)的聚合物锂离子电池为例，当充电截止电压从4.20V提高到4.40V时，电池的容量可以从1530mAh提高到1640mAh，能量密度提升了7％。

然而，在高电压循环过程中，由于脱出的锂离子过多，作为主流正极活性物质的钴酸锂的层状结构很不稳定，尤其是在充电过程中，钴酸锂颗粒内存在锂离子浓度梯度，颗粒表面层锂离子浓度很低，非常容易发生结构塌陷，导致电池的循环性能严重恶化。

申请号为US20050130042和US20030082448的美国专利分别提出利用A1₂O₃等氧化物和AlPO₄等磷酸盐作为包覆层对LiCoO₂进行包覆改性，提高LiCoO₂的电化学性能。虽然氧化物和磷酸盐包覆可以有效隔离电解液和正极材料的直接接触，缓解电解液在LiCoO₂表面的分解。然而，一方面，由于A1₂O₃等氧化物和AlPO₄等磷酸盐和LiCoO₂的晶体结构差别很大，晶体匹配性不好，包覆层和LiCoO₂在原子尺度不能很好地结合，导致A1₂O₃等氧化物和AlPO₄等磷酸盐包覆层对LiCoO₂结构稳定性的改善有限；另一方面，Li⁺在A1₂O₃等氧化物和AlPO₄等磷酸盐中的扩散系数远低于在层状过渡族氧化物中的扩散系数，包覆后材料的放电极化加大，电池的容量和倍率性能明显下降。

有鉴于此，确有必要提供一种在高电压下循环过程中具有良好结构稳定性的锂离子电池正极材料及使用该正极材料的具有良好性能的锂离子电池。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种在高电压下循环过程中具有良好结构稳定性的锂离子电池正极材料，以解决当前常用的氧化物和磷酸盐等包覆层与LiCoO2结构匹配性不好、不能在原子尺度形成良好的结合界面，从而不能有效提高LiCoO₂在高电压下的结构稳定性的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高电压锂离子电池正极材料，包括钴酸锂(LiCoO₂)，还包括包覆在所述钴酸锂表面的富锂层状过渡金属氧化物Li₂MO₃，其中M为Mn、Zr、Ti、Sn、Ir、Ru和Pt等中的至少一种，所述富锂层状过渡金属氧化物占所述正极材料的质量百分比为0.1～10wt％。