[发明专利]一种铝掺杂改性的高容量锂离子电池正极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝掺杂改性的高容量锂离子电池正极材料的制备及改性研究，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

近年来，随着绿色清洁能源的提出，锂离子电池越来越受到人们的重视。因其具有较高的比容量，较高的充放电电压，对环境无污染以及携带方便而被广泛使用便携式电子设备、小型交通工具、军用领域等。

在众多正极材料中，LiCoO₂已成功商业化并且被广泛使用，自从LiCoO₂商业化以来，由于其体系研究比较成熟，综合性能优良，被广泛应用于便携式数码产品、军用通讯设备、小型电动交通工具等，最近，在大中型电动汽车中有良好的发展前景。但是，LiCoO₂本身也有许多缺点制约着其在现代社会中的应用，越来越不能满足人们对锂电池的期望，一方面，由于Co资源稀缺，价格昂贵，生产成本越来越高，而且Co毒性很大，对环境和人体都对造成伤害；第二，虽然LiCoO₂具有很好的循环性能和热稳定性，但是其容量很低，实际容量只能发挥出理论容量的50％左右，不能满足人们对高比容量的追求，因此人们正在积极寻找一种可以代替LiCoO₂的电池材料。近几年三元材料Li(Ni-Co-Mn)O2具有镍酸锂、锰酸锂、钴酸锂三者的优点，存在明显的三元协同效应。从容量、成本、安全角度考虑，LiNi_0.5Co_{0 2}Mn_{0 3}O₂(NCM523)三元材料无疑是最有希望替代LiCoO₂的材料之一。它具有低毒性，高比容量，安全性好的特点。三元锂电池的理论比容量为277mAh/g，实际应用中能发挥的比容量为180mAh/g，远高于目前的LiCoO₂(140mAh/g)，因此得到极大的关注。

虽然NCM523具有很高的容量优势和能量密度，但是在充放电过程中，其晶体结构在高电压下极易被破坏，阻碍了锂离子的脱嵌，使其容量大大降低，其循环性能变差，高温下此情况更严重；并且，在材料合成过程中，极易发生阳离子混排，阻碍锂离子的传输。

发明内容

本发明的目的是解决现有高容量层状LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料首次库伦效率低、循环性能和倍率性能差的问题，现提供一种具有电化学稳定性的元素对层状结构的高容量低成本锂离子电池正极材料的改性方法，使用Al掺杂，形成Li[Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3]_1-xAl_x.O₂正极材料，提高其电化学性能。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种具有a-NaFeO2层状结构的高容量低成本的锂离子电池正极材料，其特征是：所述正极材料的化学通式为Li[Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3]_1-xAl_x.O₂，其中0≤x≤0.12。

上述具有高容量低成本的层状锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按化学计量比将锂盐、铝盐、523前驱体置于球磨机中球磨2-5h；

(2)将(1)中得到的混合物粉末置于马弗炉中进行煅烧，升温速度为3～8℃/min，升温至350～550℃后，在此温度煅烧12～20小时，得到中间产物；

(3)待(2)中间产物冷却至室温后，在球磨机中研磨2～5小时，将研磨后的产物压实再次置于马弗炉中，在富氧气氛或空气气氛中进行煅烧，升温速度为3～8℃/min，升温至750～950℃，煅烧12～24小时，冷却至室温后得到所述的锂离子电池正极材料Li[Ni_0.5Co_0.2Mn_{0 3}]_1-xAl_x.O₂。

进一步，所述的具有层状结构的高容量低成本的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征是：所述锂盐、523前驱体、铝盐的摩尔比为1.05∶1∶x～1.15∶1.05∶x+0.03，其中为了防止高温煅烧时锂挥发而造成损失，锂的物质的量过量5％。