[发明专利]一种纳米高镍三元锂正极陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米尖晶体高镍三元锂正极功能梯度陶瓷材料及其制备方法，所述高镍三元锂的结构式为Li[(Ni_aA_bB_c)_1‑x‑yCo_x(Mn_dD_eH_f)_y]O_2‑zE_z，其中0.01≤x≤0.1，0.01≤y≤0.1，0.01≤z≤0.25，a+b+c＝1，d+e+f＝1；A为Zn、Sc、Nb或Cu中的一种或几种，B为Be、La、Lu、Cr中的一种或几种，D为K、Na、Mg或Ca中的一种或几种，H为Al、Fe、Ti、Mo或Ba中的一种或几种，E为F、S或Cl中的一种或几种。通过阳离子、阴离子掺杂以及惰性介质材料包覆，有效提高了本陶瓷材料制作的电极的放电比容量、高能量密度和循环性能。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种高镍三元锂正极陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

近年来环境保护、可持续发展、清洁能源不再是空口号，而开始逐渐深入人心，越来越多的实质产品不断出现，电动汽车产业是近年来欣欣向荣的新能源产业领域中的杰出代表。电能自发现以来，其存储一直是人类所关心的问题，而电动汽车所需要的高比能量和高比功率特性，对电能的存储有着更高的要求。从伏打电池到铅酸、镍镉、镍氢电池，再到现在广泛应用于移动终端当中的锂离子电池，电池的比能量和比功率不断的达到新的级别。绿色，安全，环保，清洁能源等是锂离子电池所具有的身份标签。但从高比能量、高比功率、长寿命、更安全、更经济的角度考虑，目前的锂离子电池还有很大的发展空间。近些年来，随着高比能量密度、高比功率密度动力型的锂离子电池的发展需求，正负极材料都受到了前所未有的挑战。正极材料较负极材料有更大的重量，影响比容量的程度也大于后者。

目前已产业化的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、三元材料[Li(Ni,Co,Mn)O₂]、磷酸铁锂(LiFePO₄)等。其中，钴酸锂具有理论比容量高、循环性能优异、放电平台平稳、工作电压高和合成工艺相对简单等优点。因此以LiCoO₂作为正极材料的锂离子电池，广泛应用于3C领域，但钴资源稀缺，价格昂贵，毒性较大，且其过充安全性能较差。相对于稀缺的钴资源，锰具有资源丰富、价格便宜、安全性能高和环境友好等优点，这使得作为正极材料的锰酸锂具有良好的应用前景，其主要分为层状结构和尖晶石型。层状结构的锰酸锂虽然有比较高的理论比容量，但结构稳定性较差；尖晶石型的锰酸锂理论比容量低，且高温循环和储存性能差的缺点一直没有解决。橄榄石型LiFePO₄虽然价格低廉且无毒无污染、结构稳定、循环性能和安全性能极佳，但其比容量不高且导电性较差，并存在微量铁的溶解可能引起电池短路的问题。

层状镍钴锰酸锂系列(即三元材料)，较好地兼备了上述材料的优点，并在一定程度上弥补各自的不足，具有比容量高、循环性能稳定、经济廉价、毒性小和安全性能较好的优点，成为LiCoO₂正极材料最具前景的替代材料之一。三元层状结构正极材料Li(Ni,Co,Mn)O₂结合了LiNiO₂、LiCoO₂、LiMnO₂的优点，且其性能优于各个单一组分正极材料，存在显著的三元协同效应。

开发高能量密度的三元材料能够有效提高电池的使用时长，为了提高能量密度和降低成本，高镍低钴是必然发展趋势，但是Li(Ni,Co,Mn)O₂三元材料也有自身的缺点，最主要是其高倍率性能并不是很好，这主要与材料中电子电导率有关，尤其是随着Co含量的降低导电性能下降明显、电压平台较低。若需要提高充电截止电压来获得高比容量，则会造成循环性能的恶化。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种高放电比容量、高能量密度和循环性能的高镍三元锂正极陶瓷材料及其制备方法。