[发明专利]一种在材料表面均匀掺杂金属离子的方法及其制品和应用

说明书

本发明涉及一种在材料表面均匀掺杂金属离子的方法及其制品和应用。所述方法主要是通过金属离子在材料表面(如正极材料等)进行纳米层厚度的均匀沉积，并经过特殊的热处理，实现金属离子在基底材料表面特定厚度范围内的向内渗透和掺杂，并在基底材料表面获得纳米层厚度的定量掺杂的表面层。所述方法制备得到的正极材料能够有效实现表面的钝化，降低副反应的程度，实现材料稳定性的提升；同时，金属离子只在表面1～30nm范围内掺杂，材料自身的本体结构并未受到影响，仍能够保持原先的离子传输特性，能有效地克服了传统包覆过程对材料电化学性能的不利影响，使其在锂离子电池领域有着很高的实用性应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体而言，涉及一种在材料表面均匀掺杂金属离子的方法及其制品和应用，所述材料特别是锂离子电池电极材料。

背景技术

近年来，为应对汽车工业迅猛发展带来的诸如环境污染、石油资源急剧消耗等负面影响，各国都在积极开展采用清洁能源的电动车(EV)以及混合动力电动车(HEV)的研究。然而，作为车载动力的动力锂离子电池成为电动车(EV)和混合动力电动车(HEV)的发展瓶颈。其中，正极材料作为锂离子电池的核心，是提高电池能量密度的关键。然而现如今所应用的正极材料中，还远远达不到人们日益增长的需求。因此，高能量密度高安全性正极材料的研发，具有极其重要的现实意义。

正极材料表面的稳定性及循环过程中的安全性对于正极材料的应用有着至关重要的影响。特别是随着高比能电极材料开发与应用的逐渐展开，诸如尖晶石型镍锰酸锂材料、富镍三元材料(包括镍钴锰、镍钴铝)等一系列正极材料的结构稳定性及循环过程中的安全性能日益引起人们的关注。随着电极材料工作电压、充放电容量的提升，电极表面与电解液发生副反应的程度也会显著加剧，充放电过程中所造成的材料自身结构地衰减也会更加显著。例如，对于未改性的富镍三元材料而言，其正4价的镍离子很不稳定而很容易与电解液反应，因此造成材料自身结构的衰减及电解液的分解，从而引起材料循环性能的下降并产生很大的安全隐患。

研究表明，通过在镍锰酸锂材料或富镍三元材料的表面引入一层稳定的外壳，可以有效抑制材料表面的副反应，提高材料的结构稳定性。最常见的构筑钝化外壳的方式就是表面的包覆改性，但是包覆层如常规的氧化物、磷酸盐等自身往往具有极低的电荷传输能力，以致造成表面处理后电极材料导电性、倍率性能等电化学特性的降低。因此如何实现在提高材料表面稳定性的同时，也能维持材料表面良好的电荷传输特性就成为优化电极材料表面结构、提升材料实际应用性能的重要任务。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的是提供一种在材料表面均匀掺杂金属离子的方法，该方法通过金属在基底材料(如作为正极材料或负极材料的基底等)表面进行纳米层厚度的均匀沉积，并经过特殊的热处理，实现金属离子在基底材料表面特定厚度范围内的向内渗透和掺杂，在基底材料表面获得纳米层厚度的金属掺杂层。

本发明的第二个目的是提供一种表面均匀掺杂金属离子的材料，其包括材料本体和在材料表面原位形成的一层金属离子掺杂的金属掺杂层。

本发明的第三个目的是提供一种表面均匀掺杂金属离子的材料的用途。

本发明的第四个目的是提供一种电极材料、含有该电极材料的电极及含有该电极的电池；特别地，所述电极为正极。

为了实现上述第一个发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种在材料表面均匀掺杂金属离子的制备方法，包括以下步骤：

1)首先采用沉淀-热渗透反应，将材料、金属离子的前驱体和沉淀剂分散到溶剂中，加热搅拌，在材料表面构筑金属纳米沉积层，获得中间产物；

2)然后将步骤1)中制备得到的中间产物经热处理，金属离子在所述材料表面一定厚度范围内的向内渗透和掺杂，在材料表面获得纳米层厚度的金属掺杂层。