[发明专利]锂电池正极活性材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂电池正极活性材料及其制备方法和应用，其包含化学式为Li_1+xNi_0.5‑yMn_1.5‑zO_u的含锂化合物颗粒，其中‑0.2≤x≤0.2，‑0.2≤y≤0.2，‑0.2≤z≤0.2，3.8≤u≤4.2，含锂化合物颗粒的表面具有呈梯度分布的硫元素。本发明提供的锂电池正极活性材料的表面梯度掺杂硫元素，有效提高了正极材料的稳定性，具有如下优点：1)制备方法工艺简单可行，成本低廉；2)能够调控生成镍锰酸锂材料的形貌和晶面分布；3)能提升尖晶石正极活性材料的综合性能，具有优异的发展前景。所制得的锂离子二次电池可用作电动工具、电动自行车、混合动力电动交通工具和纯电动交通工具等应用的能量源。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种锂电池正极活性材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子二次电池与其它的可充电的电池体系相比，具有工作电压高、重量轻、体积小、无记忆效应、自放电率低、循环寿命长、能量密度高等优点，目前已广泛应用于手机、笔记本电脑、平板电脑等移动终端产品。近年来，出于对环境保护方面的考虑，电动汽车在各国政府和汽车制造商的推动下得到了迅速的发展，而锂离子二次电池凭借其优良的性能成为新一代电动汽车的理想动力源。

目前，人们关注的锂离子二次电池的正极材料大致可分为三类：以钴酸锂(LiCoO₂)为代表的层状型材料，以磷酸铁锂(LiFePO₄)为代表的橄榄石型材料和以锰酸锂(LiMn₂O₄)为代表的尖晶石结构材料。同时研究表明尖晶石[111]面相比于[100]面更加稳定，有利于固定表面的晶格氧。

过去人们提出利用各种金属掺杂(如Mg、Cr、Ti、Fe、Co、Ni或Cu等)来固定镍锰酸锂表面晶格氧。利用这些金属掺杂能够在材料内部以及表面形成新的化学键，从而稳固体相和表面的晶格氧。但是上述金属掺杂对镍锰酸锂材料的稳定性提高作用有限。

因此，提供一种制备过程简单，合成晶面可控，掺杂结构稳定的尖晶石正极材料及其制备方法是本领域技术人员需要迫切解决的问题。

发明内容

针对上述的不足，本发明目的之一在于，提供一种制备过程简单、掺杂结构稳定的锂电池正极活性材料。

本发明目的之二在于，提供一种上述锂电池正极活性材料的制备方法。

本发明目的之三在于，提供一种上述锂电池正极活性材料的应用。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种锂电池正极活性材料，其包含化学式为Li_1+xNi_0.5-yMn_1.5-zO_u的含锂化合物颗粒，其中-0.2≤x≤0.2，-0.2≤y≤0.2，-0.2≤z≤0.2，3.8≤u≤4.2，所述含锂化合物颗粒的表面具有呈梯度分布的硫元素。

作为本发明的一种优选方案，所述硫元素分布的梯度层厚度为0.5～50nm，所述硫元素含量按由外向内逐渐降低的梯度分布。硫元素分布的梯度层可以用本领域常用的表征方法进行表征，例如可以采用X射线光电子能谱显微镜(XPS)和扫描透射电子显微镜(STEM)进行表征，其中利用X射线光电子能谱及其刻蚀分析也可以证明梯度硫元素分布层中硫元素的梯度分布或利用STEM线扫证明岩盐相表面层中硫元素的梯度分布。

作为本发明的一种优选方案，所述含锂化合物颗粒的粒径为0.1～30μm，优选为0.2～20μm。

一种锂电池正极活性材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将硫源、络合剂以及尖晶石结构的含锂化合物颗粒相混合，获得混合物；