[发明专利]一种高振实密度、高倍率与长寿命富锂锰基正极材料及其制备方法

说明书

一种高振实密度、高倍率与长寿命富锂锰基正极材料及其制备方法，属于材料合成技术领域。所述正极材料的化学式为Li[Li_a(Mn_xNi_yCo_z)_1−a]O₂。制备方法为：采用共沉淀法制备锰镍钴碳酸盐球形前驱体；将锰镍钴碳酸盐球形前驱体与锂源进行均匀混合、煅烧，获得球形富锂锰基正极材料；将球形富锂锰基正极材料进行水热后处理，得到高振实密度、高倍率与长寿命富锂锰基正极材料。本发明通过晶体成核控制剂与络合剂的共同作用，降低共沉淀体系的结晶表面能，提高材料振实密度，利用锰镍钴多金属协同作用提供高放电容量，利用水热固液界面反应降低二次颗粒表面镍锂混排层厚度与混排比例，提高锂离子扩散系数，增强材料倍率容量，并提升材料循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，尤其涉及一种高振实密度、高倍率与长寿命富锂锰基正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池在便携式电子设备领域已得到广泛应用，同时在电动汽车和储能电站等领域也已展现出巨大的应用前景。正极材料是目前锂离子电池中锂离子的唯一或主要提供者，已成为锂离子电池能量密度提高和价格降低的瓶颈。高性能锂离子正极材料应具备以下要素：较高的放电电压与容量、稳定可靠的循环性能、良好热稳定性、较高的电子/离子电导率、易于合成、生产成本低、环境友好。目前，对锂离子电池正极材料的研究主要集中在以下几类：层状结构LiTMO₂（TM为过渡金属离子，如Co、Ni、Mn等）、尖晶石结构LiMn₂O₄和橄榄石结构LiFePO₄等。

上述几类材料的实际容量在100~200 mAh/g之间，难以满足正极材料亟待提高可逆比容量、降低成本的发展需求。与之相比，富锂锰基固溶体Li[Li_a(Mn_vNi_xCo_y)_1−a]O₂正极材料在高于4.5 V的充电电压下，可提供250~300 mAh/g的实际可逆比容量，具有能量密度高、热稳定性好、原料成本低、环境友好等优点，是发展高能量密度（300 Wh/kg）、低成本锂离子电池的重要候选正极材料。研究表明微米级球形结构有利于富锂锰基材料提高体积能量密度，但是由传统制备工艺得到的富锂锰基正极材料粒径偏大，锂离子扩散路径较长，导致材料大电流放电以及高倍率性能差；颗粒结构不致密，振实密度偏低，限制了材料体积能量密度提升；此外颗粒表面容易产生金属元素偏析，导致表面镍锂混排程度高，容易诱导表面异质相生成，从而加速材料在循环过程中的容量衰减，这些缺点已成为限制富锂锰基正极材料应用的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前富锂锰基正极材料振实密度偏低、倍率性能差及容量衰减快的问题，提供一种高振实密度、高倍率与长寿命富锂锰基正极材料及其制备方法，该正极材料通过前驱体制备、配锂烧结与水热后处理三个步骤制备得到。该方法通过构筑微米级致密球形颗粒，提供高振实密度，利用二次颗粒中多元金属协同作用提供高放电容量，利用水热固液界面反应降低二次颗粒表面镍锂混排层厚度与减小表面镍锂混排比例，从而提高锂离子扩散系数，增强材料倍率容量，提升材料循环性能。通过共沉淀方法调控晶粒成核与生长，制备粒径适中、结构致密的高振实富锂锰基正极材料，并采用水热后处理调控二次颗粒表面原子排列，降低表面镍锂混排层厚度与减小表面镍锂混排比例，提高材料的倍率性能与循环寿命。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种高振实密度、高倍率与长寿命富锂锰基正极材料，所述正极材料的化学式为Li[Li_a(Mn_xNi_yCo_z)_1−a]O₂，其中，0a0.5，x+y+z=1，0≤yx，0≤zx, x1，0≤y≤0.5，0≤z≤0.5。