[发明专利]锂离子电池正极材料及其制法和应用

说明书

本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，所述正极材料含有化学式一所示组成的元素，并掺杂有M元素，且包覆有N元素；所述化学式一为：Li_vNi_xCo_yMn_zO₂，其中，1.00≤v≤1.10；0.30≤x≤0.70；0.05≤y≤0.40；0.20≤z≤0.50，2x+4y+4z＝2.5‑3.5；所述M元素选自铝、镁、钛或锆中的一种或两种以上；所述N元素选自钴、镧或钇中的一种或两种以上。本发明正极材料的离子电导性能得到提高，从而降低了应用条件下的安全风险，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，主要涉及锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子二次电池由于具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长等优点，而被广泛用作各种移动设备的电源，储能电站，甚至在航空、航天、航海、汽车、医疗设备等领域中，并逐步取代其他类型的传统能源/化学电池。

作为近年来出现的锂离子电池电动车(如日本丰田产普瑞斯，美国特斯拉公司产的特斯拉电动汽车Model 3，比亚迪公司产e6 400型铁电池电动车，以及各地近年推出的电动大巴等),以及电贮存能站(如特斯拉公司的Power Wall) 等，其使用特点是将大量能量密度高的锂离子电池集中存放组装在一起，通过电能管理系统进行充放电等使用。在上述设备的商业化过程中，锂离子二次电池的安全性能一直是各生产厂商及应用终端客户密切关注的重点领域，上述设备的安全事故主要由锂离子电池包(Pack)失控引起。通常由于材料的结构，电池制程的影响，在制备好的锂离子电池中存在一些微小的瑕疵，在使用过程中瑕疵区如持续恶化，则往往会引起连锁反应，最终出现较为严重的安全事故，目前不同的专家学者及行业推动者均就安全性能提出了许多理论和结构模型，归根结底在于锂离子电池内部存在的界面区出现了游离单质锂的富集，而锂的熔点约为180.5℃，另一方面锂的分散更细微时，尤其是当其置身于有机溶液环境中时，其活性及危险性会成倍增加，上述几项因素迭加在一起，往往会引发安全事故，故需要从锂离子电池的工作原理出发，设法减少界面区游离锂的存在。

在锂离子化学电源体系中，通常是由锂离子在正负极之间的转移实现能量的输出，其涉及到正极，负极，隔离膜，电解质等多种固/液体多孔介质之间的电子转移(锂离子电池的电化学阻抗谱分析,庄全超；徐守冬；邱祥云；崔永丽；方亮；孙世刚《化学进展》2010.22(6)P 1044-1057)，放电电流过大时，锂离子来不及嵌入正极材料中，往往会在负极/隔离膜孔，正极表面(含颗粒) 形成高活性的金属锂单质，长期使用会带来严重的安全问题，充电过程中同样会因电流过大出现金属锂富集于锂离子电池内部各界面的问题。

因此如何在充/放电过程中消除界面上的锂是动力电池急需要解决的问题。目前常用的锂离子正极材料有钴酸锂，锰酸锂，镍钴锰酸锂，磷酸亚铁锂等，多年来为改善各类材料的电化学性能包括导电性能，各厂家均进行了优化努力，如钴酸锂导电性好，其形貌呈大颗粒化；镍钴锰酸锂材料导电性差，制备成由一次小颗粒团聚而成的二次颗粒；磷酸铁锂导电性差，在材料表面原位包覆导电碳层来改善材料的导电性能等。

从能量密度及循环经济出发，未来最有前途的锂离子二次电池正极材料为镍钴锰酸锂材料，在动力电池及储能市场有较好的应用前景。镍钴锰酸锂材料是一类基于钴酸锂层状结构的基础上掺杂镍和锰元素的正极材料，随三种元素的比例不同形成一系列的镍钴锰酸锂正极材料。为了满足动力及储能领域的需要，在如何进一步改进镍钴锰酸锂安全性能的方法上，科学家提出了两种思路。一种是在材料表面掺杂包覆形成一层导电离子膜，方便锂离子从材料本体中的导出和嵌入，同时形成材料本体与电解质的隔离层，或者是包覆物有助于形成正极材料的稳定性好的固体电解质膜(SEI膜)。一种是基于实际应用中锂离子正极材料二次颗粒结构在加工及循环过程中破裂形成新的界面缺陷从而恶化电池应用体系的需要直接将材料制备成单个的一次球结构。

很多公开和专利文献已经提出了通过正极材料的表面改性提高电池安全性的方法。