[发明专利]一种尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种尖晶石‑O2型富锂氧化物正极材料及其制备方法和应用。该氧化物的化学式为xLiTM₂O₄‑(1‑x)Li_l+yTM_l‑y‑zM_zO₂，TM＝Mn，Ni，Co，M＝Al，Fe，Zn，Ti，Sn，Cu，Ce，Ru，Ta，Nb或Mg，0.01≤x≤0.5、0.01≤y≤0.3、0≤z≤0.1；是将过渡金属的前驱体与锂盐和钠盐混匀，在700～1000℃热处理，将所得粉体C加入锂盐，在200～800℃离子交换反应，水洗，干燥后制得。该尖晶石‑O2型富锂氧化物的首次库伦效率较高、电压和容量衰减较慢。当电压窗口为2～4.8V，电流密度为300mA/g时，其电压衰减率可低至0.15mV/循环，200次循环后的容量保持率高于93％。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地，涉及一种尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于锂离子电池具有电压高，比能量大、循环寿命长、自放电小、安全性能好等优点，已广泛应用于电子产品、交通运输、航空航天和储能装置等领域。目前来说，高容量正极材料是实现高能量密度锂离子电池的关键，而富锂氧化物因为具有高比容量和高能量密度，已经成为最有潜力的下一代锂离子电池候选正极材料。然而，传统的O3型富锂氧化物材料存在首次库伦效率低以及容量和电压衰减快等缺点，严重影响了其商业化应用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料。该尖晶石-O2型富锂氧化物不但克服了传统O3富锂氧化物材料首次库伦效率低、容量和电压衰减快的缺点，还具有容量高，合成工艺简单，易于控制，重复性好等优点，具有较大的商业化前景。

本发明另一目的在于提供上述尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料的制备方法，该方法在O2型富锂氧化物中原位引入具有三维锂离子通道且高结晶度的尖晶石相。使得O2型比O3型富锂氧化物的首次库伦效率高、电压和容量衰减慢。此外，高结晶度尖晶石相的原位引入既能再次提高O2型富锂氧化物的首次库伦效率，又能进一步改善其电压和容量稳定性。

本发明再一目的在于提供上述尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种锂离子电池尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料，所述尖晶石-O2型富锂氧化物正极材料的化学式为xLiTM₂O₄-(1-x)Li_1+yTM_1-y-zM_zO₂，TM＝Mn，Ni，Co，M＝Al，Fe，Zn，Ti，Sn，Cu，Ce，Ru，Ta，Nb或Mg，0.01≤x≤0.5、0.01≤y≤0.3、0≤z≤0.1；所述正极材料是将过渡金属的碳酸盐或过渡金属的氢氧化物微米球的前驱体与锂盐A和钠盐混匀，在700～1000℃进行热处理，反应结束后随炉冷却，将所得的粉体C加入锂盐B，在200～800℃进行离子交换反应，结束后水洗除去杂质，干燥后制得。

优选地，所述过渡金属的碳酸盐为TMCO₃；所述过渡金属的氢氧化物为TM(OH)₂，TM＝Mn，Ni或Co。

优选地，所述锂盐A和锂盐B为乙酸锂、碳酸锂、氢氧化锂、硝酸锂或氯化锂的一种以上。

优选地，所述钠盐为碳酸钠和/或碳酸氢钠。

优选地，所述前驱体、锂盐A和钠盐的摩尔比为(1～10)：1：(1～5)。

优选地，所述粉体A和锂盐B的摩尔比为1：(1～10)。

优选地，所述热处理的时间为8～24h。

优选地，所述离子交换反应的时间为1～6h。