[发明专利]一种纳微分级结构三元正极活性材料、前驱体及其制备和应用

说明书

本发明属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种纳微分级结构三元正极复合材料前驱体及其制备和应用。本发明中，将包含三元正极活性材料的前体金属源、N,N‑二甲基甲酰胺和甘油的混合溶液进行溶剂热处理，分离得到具有哑铃状形貌的三元正极活性材料前驱体；所述的N,N‑二甲基甲酰胺和甘油的体积比为3～5:1。将所述的前驱体进行锂化烧结，即可得到所述特殊形貌的材料。本发明方法工艺简单，成本低廉，可控化制备出的富锂锰基正极材料元素沉淀均匀，纳微分级结构具有良好的循环稳定性和优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种纳微分级结构三元正极活性材料前驱体及其制备和应用。

背景技术

近年来，随着经济的发展和科技的进步，能源问题和环境问题已经成为目前所有人关注的重点。化石燃料的过度消耗以及能源需求的增长，使得清洁能源的开发和利用变得极为迫切。锂离子二次电池作为目前数码、电动汽车产品等领域的首选电源，因为其具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命和无污染等优点。

正极材料作为锂离子电池的主要组成部分，对锂离子电池容量起决定性作用。目前，以钴酸锂为代表的正极材料容量一般低于200mAh/g，其较低的容量在很大程度上限制了锂离子动力电池的发展。因此，研发出一种可逆容量高、循环稳定性好的高性能正极材料具有战略性意义。

三元正极活性材料例如富锂锰基层状正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Mn、Ni、Co)]具有高比容量，高能量密度，良好的热稳定性，较宽的充放电电压范围(2～4.8V)，且主要以资源相对丰富的锰为主含量而备受关注，被认为是新一代锂离子电池正极材料的主流产品。然而，富锂锰基材料的高容量均是在较低的倍率下(0.05C)获得，且材料循环稳定性较差，首圈效率较低，循环过程存在相变，倍率性能差等问题，影响了其在实际中的应用。材料形貌特征与结构会直接影响材料的电化学性能，而常规的制备方法如高温固相法，溶胶凝胶法，共沉淀法等很难控制产物的形貌特征，且这些方法在使用过程中能耗高，耗时长。另外，富锂锰基正极材料属于多元多相复杂体系，很难在特定的条件下自然形成既具有特殊形貌的材料，又同时保证所有元素在材料中分子级的均匀分布。

因此，亟需开发出一种简单的制备方法，以实现正极活性材料形貌可控化合成，解决现有技术中存在的制备过程能耗高、耗时长且难以控制产物形貌特征的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种纳微分级结构的三元正极活性材料(本发明也称为哑铃状纳微分级结构的三元正极活性材料，或者简称为三元正极活性材料)。旨在提供一种特殊哑铃形貌、且具有优异电化学性能的全新三元正极活性材料。

本发明第二目的在于，提供一种纳微分级结构的三元正极活性材料前驱体(本发明也称为哑铃状形貌前驱体或者简称前驱体)的制备方法，只在制得一种特殊哑铃形状的前驱体材料。

本发明第三目的在于，提供一种所述的纳微分级结构的三元正极活性材料的制备方法，旨在制得所述特殊形貌的三元正极活性材料。

本发明第四目的在于，提供一种所述的纳微分级结构的三元正极活性材料的应用方法。

本发明第五目的在于，提供一种包含所述的纳微分级结构的三元正极活性材料的正极材料、正极以及锂离子电池。

一种纳微分级结构三元正极活性材料，具有哑铃状形貌。优选为由三元正极活性材料一级结构组装成的具有哑铃状二级形貌的材料。

本发明提供了一种具有哑铃形貌的三元正极活性材料。该材料中部聚集交互成狭部，且两端发散成宽部。本发明所述的材料，形貌类似P电子云。本发明所述的特殊形貌的材料具有优异的结构稳定性，具有优异的电化学性能；例如，具有优异的倍率性能和循环稳定性。

所述的三元正极活性材料一级结构为三元正极活性材料的纳米棒、纳米线、纳米片、纳米球中的至少一种。