[发明专利]一种新型锂离子电池梯度正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型锂离子电池梯度正极材料及其制备方法，该材料的平均组成如式：Li_0.3+δNi_xCo_yMn_zG_{1‑x‑y‑z}O₂，0≤δ≤0.9，0.6≤x≤1，0≤y≤0.4，0≤z≤0.4，G为La、Cr、Mo、Ca、Fe、Hf、Ti、Zn、Y、Zr、W、Nb、Sm、V、Mg、B、Al中的一种或多种，其中掺杂元素G的含量从颗粒核心到表面持续增大，并在表面富集。本发明根据不同元素的沉淀规律进行掺杂元素优化分配，在前驱体制备过程中，通过调整不同沉淀阶段掺杂元素含量来保证材料内部晶体结构达到最优化，提高现有高镍材料的加工性能与循环寿命。此过程连续可控，操作简单，成本低，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种新型锂离子电池梯度正极材料及其制备方法。

背景技术

目前商用锂离子电池正极材料主要包括钴酸锂LiCoO₂、尖晶石锰酸锂LiMn₂O₄、磷酸亚铁锂LiFePO₄及三元材料LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，其中前三种材料的可逆容量较低，而三元材料的可逆容量随着材料中Ni元素含量的增加而增大。通过调整材料中Ni元素含量可以得到满足要求的材料，例如当x＝0.80时，材料的可逆容量可达190mAh·g^-1以上，属于高容量材料，而当x＝1/3时，材料的安全性能高。但是材料的倍率性能、循环性能与安全性能不同同时满足要求，如何在提高其循环性能与安全性能的基础上，同时增强材料的倍率性能，成为亟待解决的关键问题之一。

为了解决高镍三元材料现存的问题，需要了解材料容量衰减原因，其主要原因：(1)在进行充放电测试时，材料的晶体结构出现多次相变，其中存在不可逆相变致使晶体结构坍塌，阻碍锂离子正常嵌入脱出，使电池阻抗增加，容量降低，其主要原因为材料的晶体结构不够稳定，导致材料内部局部过充放现象发生；(2)高镍三元材料表面存在Ni⁴⁺，导致电解液氧化并产气，进而影响材料的性能。

如何改善正极材料的晶体结构及界面稳定性，改善正极材料的倍率性能、循环性能及安全性能，现有的技术手段主要分为以下三种：表面包覆及掺杂、体相掺杂及控制粒径等。中国专利CN102884659B制备出一种具有掺杂元素的氢氧化物，该材料的本体结构稳定性增强，但界面稳定性增强效果不明显。中国专利CN102005605B制备出一种Li配置于过渡金属部位的含Li过渡金属氧化物作为正极活性物质，其在高的充电电压下的充放电循环中的循环特性优良，但该材料在首次充放电时存在氧损失，导致该材料的综合性能不佳。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型锂离子电池梯度正极材料及其制备方法，该方法能够提供具有稳定晶体结构的材料，并且通过控制材料中各元素含量及梯度掺杂元素的合理分配，能够有效地提高材料的循环寿命与安全性，材料制备工艺简单，成本低廉。

为实现上述目的，本发明公开了一种新型锂离子电池梯度正极材料，该材料的平均组成如式：Li_0.3+δNi_xCo_yMn_zG_1-x-y-zO₂，0≤δ≤0.9，0.6≤x≤1，0≤y≤0.4，0≤z≤0.4，G为La、Cr、Mo、Ca、Fe、Hf、Ti、Zn、Y、Zr、W、Nb、Sm、V、Mg、B、Al中的一种或多种，上述材料中掺杂元素G的含量从颗粒核心到表面逐渐增大，并在表面富集。

另一方面，为实现本发明的目的，本发明还提供了一种该新型锂离子电池梯度正极材料的制备方法，具体技术方案包括以下步骤：