[发明专利]一种全固态锂离子电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开全固态锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，所述全固态锂离子电池正极材料包括电极材料主体，以及包覆在所述电极材料主体外层的包覆层，所述包覆层的材料为Li_1+xNb_1‑xTi_xO₃(其中0.1≤x0.8)，且所述包覆层中Ti元素和Nb元素在所述包覆层中位置发生偏析，其中Ti元素位于靠近所述电极材料主体一侧，而Nb元素位于远离所述电极材料主体一侧；基于所述全固态锂离子电池正极材料总重量，外层的所述包覆层在干燥的凝胶中的质量为0.25‑2wt％，所述包覆层的厚度为2‑20nm。本发明通过包覆和激活发生元素偏析两种手段提高全固态锂离子电池在高电压和宽温域条件下的比容量和循环性能。

技术领域

本发明属于锂电池正极材料技术领域，涉及一种全固态锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，更具体的涉及一种适用于高电压和宽温域的全固态锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

随着时代的飞速发展，新能源汽车和各种工业生产设备日益增长的能量密度和安全性，及特殊工作环境的需求，现有的锂电池体系不能很好的满足日益增长的需求，新的适用于特殊环境的更加安全的储能体系亟待被开发和利用。全固态硫化物基电池因为其能量密度及安全性高，产生的污染较少而备受关注。然而现有的硫化物全固态锂离子电池体系不能适应高电压。此外，全固态锂离子电池在极寒或高温的极端工作环境，电池性能衰减严重。

以LiCoO₂作为正极材料是提高硫化物全固态锂离子电池的能量密度有效手段。然而在工作电压大于2V，甚至是大于等于4.5V的高电压工作区间，以及极低或者极高的极端温度环境的时候，LiCoO₂作为正极材料存在以下问题：1、LiCoO₂材料会发生不可逆的相变和晶体结构崩塌，从O3转变为H1-3相，最终转化为O1或者岩盐相；2、LiCoO₂在充放电过程中存在大量应力，导致晶面破裂，引发严重的界面副反应，使得电池容量快速衰减；3、由于钴酸锂与硫化物固态电解质界面空间电荷层效应，正极界面处存在载流子消失层，锂离子难以在界面处难以发生有效的离子输运。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明首先在钴酸锂LiCoO₂正极材料主体外层包覆Li_1+xNb_1-xTi_xO₃包覆层，从而有效地抑制了氧化物正极(LiCoO₂)与硫化物全固态电解质的不可逆相变和界面副反应。另外Li_1+xNb_1-xTi_xO₃包覆层的存在还可以促进正极界面的锂离子输运，从三个方面初步提高全固态锂离子电池在高电压和宽温域工作区间下的比容量和循环寿命，使得其在充放电过程中能正常表达容量。进一步地，本发明利用高压对包覆层进行激活，使包覆层中Ti元素和Nb元素发生偏析，更进一步提高全固态锂离子电池在高电压和宽温域工作区间下的比容量和循环性能。

本发明的目的在于提供一种适用于高电压(2～4.5V)和宽温域(-20～80℃)的全固态锂离子电池正极材料及其制备方法，以满足目前对于全固态锂离子电池生产的需求。

为实现上述目的，本发明拟采取的技术方案如下：

本发明第一方面提供一种全固态锂离子电池正极材料，所述全固态锂离子电池正极材料包括电极材料主体，以及包覆在所述电极材料主体外层的包覆层，所述包覆层的材料为Li_1+xNb_1-xTi_xO₃(其中0.1≤x0.8)，且所述包覆层中Ti元素和Nb元素在所述包覆层中位置发生偏析，其中Ti元素位于靠近所述电极材料主体一侧，而Nb元素位于远离所述电极材料主体一侧；基于所述全固态锂离子电池正极材料总重量，外层的所述包覆层在干燥的凝胶中的质量为0.25-2wt％，所述包覆层的厚度为2-20nm。