[发明专利]高镍锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池材料技术领域，提供一种抗裂性能优异的高镍正极材料。在结构上，正极材料包括内核层、中间层、外层三层结构，内核层为LiNi_x1Mn_1‑x1‑y1B_y1O₂，中间层为LiNi_x2Mn_1‑x2‑y2Me_y2O₂，外层为快离子导体构筑的岩盐相结构层。内核层的一次颗粒细长且致密，具有更短的锂离子扩散间距和更小的应力分布，提高内部结构稳定性；中间层通过掺杂Me金属离子，增强高温稳定性和循环性能；外层快离子导体增加正极材料的导电性能和粒子间边界强度，抑制过渡金属离子的溶解，有效缓解正极侧晶间应力腐蚀开裂，减轻电解液与电极之间的副反应。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，涉及高镍锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

目前高镍NCM三元前驱体材料虽具有较高的放电容量，但是容量保持率、循环稳定性、热稳定性较差。二次球正极材料随着Ni含量的增加，在充放电循环中存在多组相变，导致晶格扭曲和内部应力分布不均匀性变大，材料沿边界的微裂纹更加明显。因为微裂纹是电解质渗入颗粒内部的通道并且增加了颗粒表面阻抗。初级颗粒暴露在内表面后，更容易受到电解液的腐蚀，材料在充放电的过程中一旦产生微裂纹，当锂离子从初级颗粒的核中迁移出来时，很容易出现在外表面，从而导致颗粒的内部呈现出缺锂态。此外，随着钴的成本越来越高，研究无钴锂离子电池材料是一个重要的方向。无钴电池材料更容易产生裂纹。在研究无钴锂离子电池材料的同时，优化其抗裂性能等是一个挑战。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提供一种抗裂性能优异的高镍正极材料，同时提供材料的制备方法。

发明人研究发现，控制微观结构是提高富镍层状正极材料抗裂性能的关键。通过B掺杂可调控一次颗粒的宽度，长条状一次颗粒具有更短的离子扩散间距和更小的应力分布，减少微裂纹产生；Al掺杂可降低材料阳离子混排，Mo、W掺杂能有效在材料表面构筑盐岩相结构，Zr掺杂可提高材料晶格中原子稳定性，Li₂AlO₂-Al₂O₃、Li₂WO₄-WO₃、Li₃NbO₄-Nb₂O₅等快速离子导体包覆改性可提升材料抗腐蚀能力，有效抑制电解液对材料内部的腐蚀。也就是说，元素掺杂设计和在表层构筑岩盐层有利于提高材料结构和界面稳定性。

基于研究成果，本发明首先提供一种高镍正极材料，包括内核层、中间层、外层三层结构，内核层掺杂硼且化学分子式为LiNi_x1Mn_1-x1-y1B_y1O₂，其中，0.7≤x1＜1，0≤y1＜0.01；中间层的化学分子式为LiNi_x2Mn_1-x2-y2Me_y2O₂，其中，0.7≤x2＜1，0≤y2＜0.3，Me为Al、W、Zr、Mo、Nb中的一种或两种以上；外层为快离子导体构筑的岩盐相结构层。

快离子导体为Li₂WO₄、LiAlO₂、Li₂ZrO₃、Li₂MoO₄、Li₃NbO₄、LiCoO₂中的一种或两种以上。

在部分优选实施方案中，盐岩相结构层的厚度为50~900nm。

进一步的，本发明提供前述的高镍正极材料的制备方法，包括以下步骤：