[发明专利]阳离子掺杂改性的锂离子电池(4:4:2)型三元正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳离子掺杂改性的锂离子电池(4:4:2)型三元正极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

目前，LiCoO₂因其具有工作电压高、容量大、放电平稳、适合大电流放电及循环性能好等特点，成为商业中应用最广泛的正极材料。但钴是稀有金属，价格昂贵，对环境有一定的污染。因此，人们的研究热点转为用廉价的、对环境友好的其他过渡金属化合物来替代LiCoO₂材料。LiNiO₂具有与LiCoO₂相似的结构，拥有更高的实际放电容量，并且镍储量比钴丰富且价格便宜的多。但其制备困难，制备过程中易生成非计量比产物，且在充放电过程中会发生晶体结构的转变，导致其容量衰减很快，循环性能和热稳定性均较差。这些原因使LiNiO₂的应用领域受到很大限制。LiMn₂O₄具有尖晶石的晶体结构，与LiCoO₂和LiNiO₂相比，LiMn₂O₄具有诸多优点：锰储量大，成本低廉，对环境友好，制备较容易。但其放电容量较低(约为120mAh/g)，Mn³⁺的Jahn-Teller效应引起的晶格的畸变，导致充放电过程中晶体结构发生不可逆相变，使LiMn₂O₄在充放电循环时容量衰减较快，尤其在高于45℃的高温条件下容量衰减剧烈。这减缓了其产业化的进程。

LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂三元正极材料综合LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄三类材料的特点，具备容量高、结构稳定、安全性好、成本低等优点从而成为了成为最有商品化潜力的正极材料之一。本发明专利选择摩尔比n(Ni)∶n(Co)∶n(Mn)＝4∶2∶4为研究体系，在发挥原LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂材料优势的前提下，降低了昂贵的Co的含量，可在一定程度上降低材料的成本和生产过程对环境的污染。Ni对容量贡献最大，Ni含量的相对增加可使材料具有更高的理论比容量。同时，增加Mn的含量可以进一步提高其安全性能。因而LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂是更具有研究价值的一种三元正极材料。但是，目前三元材料还尚存循环性能以及倍率性能不足等缺点。掺杂是改善锂离子电池正极材料性能的一种重要手段，并且这种手段已经广泛应用于LiNiO₂、LiMn₂O₄等材料上。本发明专利，在阳离子掺杂的基础上，采用溶胶凝胶法合成纳米级改性的锂离子电池(4:4:2)型三元正极材料，改善其颗粒形貌及电化学性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种纳米级阳离子掺杂改性的锂离子电池(4:4:2)型三元正极材料制备方法，该正极材料颗粒小而均匀，表面光滑，结晶性能好，具有容量高，库伦效率高，高低温条件下循环性能好，倍率性能好等优点。

按照本发明提供的技术方案，一种阳离子掺杂改性的锂离子电池(4:4:2)型三元正极材料，所述正极材料的化学通式为LiNi_0.4-xM¹_xCo_0.2-yM²_yMn_0.4-zM³_zO₂，M¹为Mg、Zn或Cu；M²为Al或Cr；M³为Ti、Zr或Mo，0≤x≤0.15；0≤y≤0.15；0≤z≤0.15；

按照摩尔比称取可溶性锂源、镍源、锰源、钴源和金属M¹盐、M²盐、M³盐，分别用去离子水溶解后，加入柠檬酸溶液混合搅拌均匀，用浓氨水调节pH后加热蒸发得到凝胶。凝胶加热干燥后，经过两次灼烧研磨得到产品阳离子掺杂改性的锂离子电池(4:4:2)型三元正极材料。