[发明专利]一种多元高熵固溶体正极材料以及制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种多元高熵固溶体正极材料以及制备方法和用途。所述高熵固溶体为一次颗粒形成的层状结构；所述多元高熵固溶体正极材料的化学式为LiNi_xCo_yMn_0.95‑x‑yM_0.05O₂，其中，M包括至少五种金属元素，x+y＜0.95，所述高熵固溶体正极材料的结构组成中，至少包含两种层状材料体结构。本发明通过溶胶凝胶法，制备得到了金属离子分散均匀性高且合成温度低的有5个或更多元素共享相同原子位点的稳定的高熵固溶体，使得正极材料具有良好的结构稳定性、热稳定性以及倍率性能等，在高电压大电流密度下具有更加优良的电化学性能，性价比优势明显，更适用于动力电池的应用。

技术领域

本发明属于锂离子电池的技术领域，涉及一种多元高熵固溶体正极材料以及制备方法和用途。

背景技术

在锂离子电池制造过程中使用的金属氧化物锂离子电池材料中，LiCoO₂(氧化钴锂)是目前商业化最成熟的材料之一，但是该材料因自身的局限性，存在安全性差，耐过充性差、成本高以及对环境的污染等问题，并且LiNiO₂在合成的过程中对于环境及条件的要求非常苛刻、可逆性差，同样存在稳定性差，容易引起安全隐患的问题。

在锂离子电池制造过程中，还有使用锰系LiMnO₂作为锂电池正极材料的，但该材料虽然价格低廉、资源丰富，但是在充放电过程中会发生层状结构向尖晶石型结构的转变，导致比容量衰减快，电化学性能不稳定，而具有Co、Ni、Mn三种金属离子协同效应的层状三元材料LiCo_xNi_yMn_1-x-yO₂虽然有效弥补了LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂各自的不足，具有比容量高、循环性能好、合成制备工艺简单、安全稳定性能较好等优点，但是其能量密度小，比容量低于200mAh/g，所以在动力电池的应用上受到了一定的限制。

目前最常用制备此类氧化物材料的方法是共沉淀和固相烧结联用，其操作烦琐，处理工序多，并且常常需要气体保护，不利于实际应用，而且制备的产物化学组分和形貌不均一，团聚较多，造成电化学性能不稳定，重现性差。

CN102544475A公开了一种通过草酸盐共沉淀制备富锂锰酸锂固溶体正极材料的制备方法。共沉淀法一般是先制备复合过渡金属离子的氢氧化物前驱体然后将前驱体和锂盐进行焙烧。虽然该制备方法能够提高离子的均匀分布，但共沉淀法合成的工艺繁琐，化学计量不易控制，对设备要求较高，而且如不严格控制实验条件，则氢氧化物中的二价金属离子很容易被氧化，进而造成最终产物中出现不同价态锰的氧化物杂相，在一定程度上影响了该材料的电化学性能。

CN101582501A公开了一种高容量锂离子电池复合正极材料的制备方法，该锂离子电池复合正极材料的化学分子式为：xLi[Li_1/3Mn_2/3]O₂.(1-x)Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂，其中0≤x≤1。其制备方法为：将镍、钴、锰的化合物和锂源化合物在一定溶剂介质中通过机械化学活化进行高能球磨均匀混合，获得的混合物低温烘干后，置于马弗炉中高温焙烧，然后冷却至室温制得该锂离子电池正极材料。但是这种一步固相反应不利于锂离子的均匀分布。

因此，如何得到一种结构稳定且电化学性能较好的正极材料，是亟待解决的技术问题。

发明内容