[发明专利]二元正极材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明提供了一种二元正极材料及其制备方法、锂离子电池。该二元正极材料具有化学通式Lisubgt;a/subgt;Nisubgt;x/subgt;Mnsubgt;y/subgt;Msubgt;z/subgt;Osubgt;2/subgt;，其中0.5≤x0.8，0.05≤y0.4，0.1≤z≤0.2，x+y+z＝1，1.03≤a≤1.05，M为过渡金属元素。掺杂适量的金属和非金属元素作为钉扎点能够有效抑制合金材料结构中不利的位错滑移。类似地，本发明以过渡金属元素中的部分为钉扎点并通过对其含量的控制，既能够高效抑制反复嵌入/脱出锂离子过程中不利的过渡金属层的滑移，又使过渡金属元素在锂层中的含量不至于过多而阻碍锂离子的扩散，从而改善了二元正极材料结构的稳定性，并使包括该二元正极材料的锂离子电池的电化学性能提高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种二元正极材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

锂离子电池被广泛认为是大规模储能的优秀器件。其中的正极材料作为锂离子电池重要的组成部分，约占据了整个电池三分之一的成本，决定着整个电池的输出电压、容量以及安全性。

目前使用的正极材料一般都是三元正极材料，虽然比容量较高，但由于镍离子的高氧化性，导致其存在循环稳定性和热稳定性均较差，故电芯使用寿命较短且存在很大的安全风险。目前主要通过对三元正极材料进行掺杂及表面改性来提高其晶体结构稳定性和表面结构稳定性，进而提高其在锂离子电池循环过程中的循环保持率。然而这种改善方法也有其一定的弊端，如循环过程中结构的坍塌，所以在后期循环过程中副反应相当多，而且软包电芯产气也严重，容易造成循环性能的下降。

在众多的锂离子电池正极材料中，具有高容量、元素丰富、组分灵活、易于规模化制备的层状氧化物正极材料受到研究者的广泛关注，比如镍锰二元元正极材料。但是，在高度脱锂状态下，过渡金属(TM)层间的强相互作用将引起过渡金属层滑移，从而导致材料晶体结构的重排，通常这种不利的结构重排会引起正极材料内部产生较大的应力，并导致层状结构的坍塌，最终导致锂离子电池稳定性和电化学性能的恶化。

在合金材料领域，这种材料结构失效也很常见。“钉扎效应”在合金材料领域被广泛应用来增强材料的强度/韧度。掺杂适量的金属和非金属元素作为钉扎点能够有效抑制结构中不利的位错滑移。类似地，通过防止在反复嵌入/脱出锂离子过程中不利的过渡金属层滑移，钉扎效应能够有效地提高层状氧化物正极的结构稳定性和电化学性能。最近的研究结果表明，过渡金属意外占据锂层确实提高了层状正极的结构稳定性，层状过渡金属氧化物在第一次脱锂过程中，部分过渡金属不可逆地从过渡金属层占据到锂层，并且使得在随后的嵌入/脱出锂离子过程不利的相变消失。但需要注意的是，锂层中过渡金属过多会严重阻碍锂离子的扩散，而过渡金属钉扎不足则不会形成稳定结构。因此，在不影响锂离子正常扩散的前提下，控制锂层中的钉扎过渡金属含量，以提高材料的热力学稳定性，仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种二元正极材料及其制备方法、锂离子电池，以解决现有技术中的二元正极材料的结构不稳定的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种二元正极材料，该二元正极材料具有化学通式Li_aNi_xMn_yM_zO₂，其中0.5≤x0.8，0.05≤y0.4，0.1≤z≤0.2，x+y+z＝1，1.03≤a≤1.05，M为过渡金属元素。

进一步地，上述M选自铁、铬、锆、钨、钇、锶、钽、铌中的任意一种或多种。

进一步地，上述化学通式Li_aNi_xMn_yM_zO₂中的z在0.15～0.2之间。