[发明专利]锂离子导体Li2MO3(M=Ti、Si、Zr)包覆改性的LiNi1/2Mn3/2O4正极材料及制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体涉及锂离子导体Li₂MO₃(M=Ti、Si、Zr)包覆改性的LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料及其制备方法。

背景技术

随着信息时代的到来，锂离子电池被广泛应用于电子仪表、笔记本电脑、手机、摄像机及各种便携式电动工具上，逐渐成为人们生活中不可或缺的产品。然而，目前商业化的锂离子电池仍无法满足电动汽车对电池低成本及高能量密度的要求。研发比能量更高、价格更低廉、寿命更长的锂离子电池是电动汽车产业发展的关键。众所周知，正极材料的性能与成本在很大程度上决定着电池的性能与成本。因此，提高正极材料性能并有效降低其成本成为当前锂离子电池领域的热点。

目前研究较多的正极材料主要有LiCoO₂、Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiNi_0.5Mn_1.5O₄等。与其他正极材料相比，尖晶石结构的LiNi_0.5Mn_1.5O₄拥有三维扩散通道，且其工作电压高、成本低、结构稳定、环境友好，逐渐成为目前研究的热点材料之一。特别是LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有4.7 V左右的充放电电压平台，在相同的电流下，能提供更高的功率密度，进而被电动汽车用动力电源领域所青睐，成为最具有研发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料之一。

 然而，由于LiNi_0.5Mn_1.5O₄充放电过程中电压高达5 V，在如此高的电位环境下，电解液易受充电时正极材料中高氧化态过渡金属离子Ni⁴⁺的氧化而分解。分解产物沉积于电极表面，阻碍锂离子的嵌入和脱出，导致电池阻抗的增加及容量的衰减。高温条件下，电解液分解现象严重加剧，循环性能急剧下降。为了改善其循环性能，尤其是高温循环性能，大量研究工作致力于对其进行表面改性，即主要利用其他金属或非金属氧化物进行表面包覆处理。通过氧化物的表面包覆，材料的高温循环稳定性在一定程度上得到了改善。但是，氧化物一般为锂离子的不良导体，往往会堵塞锂离子传输通道，使材料倍率性能受到一定的负面影响。

目前，已有一些研究工作采用锂离子导体对高伏正极材料进行包覆改性。J. Ni et al. /Electrochimica Acta 53 (2008) 3075–3083通过Li₂ZrO₃对三元正极材料LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂进行包覆改性，材料的高温循环稳定性得到明显改善且其倍率性能也有一定的提高。Q. Peng et al. / J. Am. Chem. Soc. 135 (2013) 1649–1652采用Li₂TiO₃包覆三元正极材料LiMO₂ (M = Ni，Co，Mn)，材料的倍率性能和高温循环稳定性均得到显著改善。

发明内容

本发明的目的是：针对现有关于LiNi_0.5Mn_1.5O₄的包覆改性技术中，采用的包覆层主要为锂离子的不良导体，多数情况下会对材料的高倍率性能造成一定的负面影响等问题，将包覆层替换为锂离子导体，提供一种高温循环稳定性及倍率性能好，可适应大规模化生产的锂离子导体Li₂MO₃(M=Ti、Si、Zr)包覆改性的LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料及其制备方法。

本发明的目的主要是通过以下技术方案得以解决：