[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法、锂离子电池的正极和锂离子电池

说明书

本申请公开了一种锂例子电池正极材料及其制备方法、锂离子电池的正极和锂离子电池，其中，锂离子电池正极材料含有尖晶石相结构，尖晶石相结构含有孪晶晶界。本申请的锂离子电池正极材料，通过在尖晶石相结构中引入一定量的孪晶晶界，孪晶晶界的存在显著提高了锂离子的迁移能力，进一步提升了尖晶石相锰酸锂材料组装的锂离子电池的倍率性能。

技术领域

本申请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备方法、锂离子电池的正极和锂离子电池。

背景技术

电池作为一种重要的储能装置有效推动了社会进步，随着科技的不断发展，对储能装置提出了更高的要求。锂离子电池作为一种新型的储能装置，相比于传统的镍镉电池、镍氢电池具有工作电压高，能量密度高，循环稳定性好，自放电小，低温性能好等优点，成为未来电动交通工具，数码产品以及军工领域的理想电源。

目前，最早发现的用于锂离子电池的正极材料LiCoO₂依旧占据着市场的半壁江山，LiCoO₂振实密度高，循环性能好，生产技术成熟，但是其实际容量不高，同时钴资源有限，价格昂贵，在高电压下存在安全性问题，难以在大规模储能装置以及电动汽车中广泛推广。

发明内容

本申请的目的是提供一种锂离子电池正极材料及其制备方法、锂离子电池的正极和锂离子电池。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请的第一方面公开了一种锂离子电池正极材料，其特征在于，所述锂离子电池正极材料含有尖晶石相结构，所述尖晶石相结构含有孪晶晶界。

值得说明的是，本申请的锂离子电池正极材料，通过调控在传统的尖晶石相的晶体结构中引入一定量的面缺陷，如孪晶晶界，缺陷的存在显著提高了锂离子的迁移能力，进而能够提升锂离子电池的倍率性能。

本申请的一种实现方式中，所述所述尖晶石相结构包括锂离子和过渡金属离子，所述挛晶晶界由所述锂离子和过渡金属离子反位形成；

优选的，所述锂离子和过渡金属离子的摩尔计量比大于0.5；

优选的，所述过渡金属元素包括Mn、Ni、Ti中的至少一种；

优选的，所述尖晶石相结构的化学式为Li_1+xM_2-xO₄，其中，0x0.1，M表示过渡金属；

优选的，0x≤0.049，更优选的，0.023x≤0.049；

优选的，尖晶石相结构包括尖晶石相锰酸锂Li_1+xMn_2-xO₄或高电压尖晶石相镍锰酸锂Li_1+xNi_0.5Mn_1.5-xO₄中的至少一种。

本申请的一种实现方式中，所述尖晶石相结构的单晶颗粒的平均粒径为300-600nm。

本申请的第二方面公开了一种锂离子电池正极材料的制备方法，包括：

按照一定的摩尔计量比将锂源和过渡金属源混合，得到混合物粉末；

将所得混合物粉末依次升温至第一温度、第二温度下保温煅烧，煅烧结束后进行淬火处理，得到所述锂离子电池正极材料。

需要说明的是，本申请通过一种简单有效的固相烧结工艺，调控原料的配比和升降温速率，创造性地在传统尖晶石相锰酸锂材料中引入一定量的二维缺陷——孪晶晶界，其中孪晶晶界的存在显著提高了锂离子的扩散速率，使得锂离子电池获得了优异的倍率性能；同时过量锂离子的引入有效提高了锰元素的平均价态，抑制了三价锰的姜泰勒效应，进而使得锂离子电池获得了更高的放电比容量和更好的循环稳定性。