[发明专利]磁场调控二次电池过渡金属基正极材料及界面层的应用和方法

说明书

本发明的目的在于提供一种定磁场用于降低二次电池过渡金属基正极材料中过渡金属离子和活性离子的混排度、维持二次电池过渡金属基正极材料结构稳定、改变CEI膜组分、提高CEI膜致密性与均匀性的应用及一种磁场对二次电池过渡金属基正极材料及CEI膜的调控方法。在电池充电过程中引入定磁场，定磁场的磁力线与电池的正极夹角固定、通过调节磁场强度与磁场施加的期间，使得电池中活性物质得以充分利用，提高电池首次充放电过程库伦效率。本发明针对已有的过渡金属基正极二次电池体系，可实现高效、简单、成本低廉的调控过程，重复性高，可操作性强，减少电池不可逆容量的损失，提高电池整体的能量密度。

技术领域

本发明属于电池应用技术领域，具体涉及一种定磁场用于促进二次电池过渡金属基正极材料与电极电解液界面CEI膜的形成，提高CEI膜中致密性与均匀性，保持二次电池过渡金属基正极材料结构稳定的应用和方法。

背景技术

当今社会，资源有限的石油化工能源逐渐枯竭，为应对全球碳排放量过高，推动绿色能源结构与形式的转变，可再生清洁能源的发展势在必行。二次电池由于其高能量密度、高功率密度、长循环寿命、无记忆效应、无污染的特点受到全世界的广泛关注和研究，作为传统化工能源的替代品逐渐应用于日常生活中。

工业上已实现重点开发与利用的二次电池体系多为钴酸锂/石墨电池，但随着国家能源布局与扩展，其能量密度已不能满足实际生产需求。二次电池活性材料容量的发挥与其正极材料的结构及正极与电解液界面层(CEI)的稳定性紧密相关，目前主要通过表面改性、调控电解液组分、调控制备条件等因素来改善正极材料结构，构建CEI膜，以提高电池长循环性能、减少电池不可逆容量的损失。但是这些技术手段仅限于改善部分活性物质传递性质，延缓电池衰减的速率，而难以阻止电极电解液间不可逆的副反应、导致可利用的活性物质大大减少，对于实际容量的发挥与库伦效率的提升效果甚微，目前对于二次电池过渡金属基正极材料的研发仍有很高的提升空间，因此设计并开发一种简单、有效地改善高比能电池材料的调控方法对于提升二次电池循环稳定性、能量密度、功率密度至关重要。

在众多正极材料中，过渡金属层状氧化物被认为是最有前景高比能正极材料之一，但仍有一些需要克服的实际问题与挑战。以镍钴锰酸锂(三元正极材料)为例，其容量的提高是随着镍含量的不断提高而实现的，而镍含量的提高同时伴随着过渡金属的溶解迁移，导致金属离子间的混乱排布，进而造成锂离子脱嵌位点减少及晶格应力的产生，导致材料体相结构破裂，电解液渗入发生界面副反应，此外，镍离子含量超过80％，会使得材料热力学稳定性下降，引发产气、热失控等一系列问题。

如何使过渡金属层状氧化物维持层状结构，构筑致密稳定的电极电解液界面层(CEI)，使电池实现更高的活性物质利用率，发挥更多的容量优势，是解决二次电池进一步商业化的关键所在。

发明内容

鉴于目前二次电池在充放电过程中正极材料结构不稳定，电极电解液副反应多导致CEI界面层厚而不均匀，活性物质利用率低，成品电池性能差的问题，本发明提供了一种磁场在二次电池中的应用，以及经磁场对于正极材料和CEI膜的调控方法；旨在提供一种简便高效改善高能量密度、高功率密度电池体系的实际性能的工艺方案。

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种定磁场在二次电池中用于提升电池首次库伦效率、循环稳定性、充放电容量、倍率性能的应用。

本发明的另一个目的在于提供一种定磁场调控下的二次电池过渡金属基正极材料及其稳固电极电解液界面层的方法。

本发明中的“二次电池”是指电池正极材料中含有能进行可逆迁移的活性离子，电解液中的活性离子与外电路中的电子在正负极之间迁移，利用化学反应的可逆性，使电池中活性物质不断利用与激活，在该调控方法中，所述二次电池包括锂离子电池、钠离子电池或者钾离子电池。