[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，包括基础材料和快离子导体包覆层，所述包覆层选自锂钛复合氧化物，锂锆复合氧化物或锂磷复合化合物，所述基础材料选自钴酸锂、镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂、镍锰酸锂或镍钴酸锂中的一种或者两种以上；本发明将包含快离子导体中各元素的原料制备成前驱体，再与基础材料进行表面融合，并经烧结形成固体包覆膜，在提高离子迁移能力的同时降低过渡元素对电解质的分解反应，进而提高制备的锂离子电池的循环寿命并改善安全性，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，具体涉及一种锂离子电池正极材料及其制法和应用。

背景技术

锂离子导体，作为碱金属离子导体中的另一重要成员，在二十世纪七十年代之后有了飞速的发展。七十年代末到八十年代初，人们陆续发现了氧化锂与其他金属氧化物组成的固溶体的锂离子电导率很高，有望形成一类应用于锂离子电池中的新型材料。

锂离子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，甚至在航空、航天、航海、汽车、医疗设备等领域中逐步取代其他的传统电池。传统的锂离子二次电池锂电解质为溶解有六氟磷酸锂、高氯酸锂等电解质的有机溶剂，其具有电导率高的优点，但其安全性差制约锂电的应用空间，1990年加拿大Moli公司即采用高氯酸锂作为电解质盐，结果因高氯酸锂热稳定性较差导致锂离子电池爆炸，直接导致锂离子电池工业进入消沉期。此后锂电池行业将目光转向固体电解质的发展上，随着以Li_3xLa_2/3-xTiO₃为代表的电解质的发展，开发出以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池，其高安全性、长寿命、可以小型化等特点引起人们的重视。但由于电导率偏低，锂离子导体作为固体电解质在锂电的应用仍需进一步研究。

近年以xEV新能源汽车的发展为代表的移动电源应用端，对锂离子电池高容量，大功率的需求日趋迫切。为获得更高能量密度，往往通过提高正极材料镍含量或提高电池充电截止电压以获得更高能量密度，但是高能量密度意味着锂离子电池中正极材料中锂的过量迁出；研究表明，锂离子从正极材料迁移，导致过渡元素价位上升，过渡元素在高氧化状态时易发生分解反应，一定温度下释放出活性氧；另一方面，高氧化态过渡元素在一定温度下对电解液中的有机溶剂(如EC、DEC、PC、DMC、EMC等)有催化分解作用，上述因素叠加致使锂电池使用寿命降低和安全性能恶化的风险增加。

引起锂电安全问题的主要表象为电池热量快速上升，严重时出现燃烧或爆炸现象的产生，根源在于热失控所致，即电池系统产生的热量大于释放的热量而导致热量积累，温度迅速升高的过程。引起热失控的主要因素有：1)内在因素，电池正、负极材料、电解液稳定性以及系统适配性差。其中正极材料结构元素氧化活性高与电解液反应释放热量致热失控的机率最大；2)外在因素，挤压、穿钉、过热、过充、过放等滥用条件致电极短路并致电解液强烈分解反应产生大量热量致热失控。

虽然行业在电池制造上通过正温度系数(PTC)和其他保护电路来控制锂电池工作温度和电流密度降低引起的电池热失控现象产生，但电池自身或保护装置失效导致的事故仍时有发生，这表明仅仅通过增加防护措施并不能消除隐患，同时增加防护手段也提高了锂电池的使用成本，降低了锂电池工作的正常输出。

另一方面，引起锂电使用寿命的一个重要原因是正极材料表面结构破坏导致；1)材料本身离子或电子传导率低，充放电过程极片极化增加，使得可逆容量下降；2)与电解液接触钴、镍、锰等过渡元素溶解；3)结构元素塌陷或晶相变化等等，上述正极材料变化都可能导致电池循环寿命下降。

因此通过正极材料的表面改性来改善安全性、提高循环使用寿命已成为锂电正极材料的重要研究领域。