[发明专利]一种碳-氮化合物包覆三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳‑氮化合物包覆三元正极材料及其制备方法，该材料的制备方法如下：首先使三聚氰胺与邻苯二甲醛发生缩合反应，得到有机框架材料(COF)，COF材料经超声剥离得到片状COF纳米材料；将片状COF纳米材料与三元正极材料混合后，置于保护性气体环境中进行高温退火处理，COF材料碳化衍生出片状多孔的碳‑氮化合物(C‑Nsubgt;x/subgt;)，并成功包覆在三元正极材料表面，得到碳‑氮化合物包覆三元正极材料。本发明利用碳‑氮化合物优异的导电性，加快了充放电过程中电子与锂离子的迁移，显著提高了三元正极材料的倍率性能。同时，碳‑氮材料包覆在三元正极表面，有效降低了副反应的侵蚀，提高了三元正极材料的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种碳-氮化合物包覆三元正极材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源的发展，锂离子电池发展迅速。在锂离子电池材料中，正极材料由于能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点，已被广泛应用于数码相机、笔记本电脑和电动汽车等领域。正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，在锂离子电池中占据着十分重要的位置。

目前，商业化的正极材料有钴酸锂(LiCoO₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、镍钴锰酸锂(NCM111,NCM523)等，但其均存在能量密度较低的缺陷，限制了商业化的进一步应用。其中，高镍三元正极材料LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂(0.6≤x≤0.9，y0.4，1-x-y0.4)，由于镍含量高，能提供较高的能量密度，是锂离子电池正极材料未来发展的主要方向。高镍正极材料能解决锂离子电池能量密度低的缺陷，但也存在一些的不足之处：循环性和热稳定性差，倍率性能差。

为了提高镍钴锰三元正极材料NCM的安全和稳定性能，掺杂改性和表面包覆是两种主要的手段。授权专利CN109888273B公开了一种K、Ti元素共掺杂高镍基三元正极材料的制备方法，通过K、Ti两种元素共同掺杂，改善了高镍三元正极材料的循环性能和倍率性能，但是元素掺杂难以避免副反应过程产生的HF对正极材料的侵蚀。授权专利CN111785973B公开了一种有机物双层包覆的三元正极材料及其制备和应用，其通过一种有机物双层包覆三元正极材料，有效降低了电解液对正极材料的腐蚀，改善了三元正极材料的循环性能和倍率性能。但是，其包覆层的导电性较差，且合成过程较复杂。如何制备出一种高导电性的包覆层，能够有效抑制有害副反应，提高三元正极材料的倍率性能和循环稳定性是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种碳-氮化合物包覆三元正极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型COF衍生物氮-碳化合物(C-N_x)包覆三元正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将三元前驱体材料与锂源按照一定比例进行充分混合，在含氧气氛中，高温烧结，制备得到三元正极基体材料；三元前驱体的结构通式为Ni_xCo_yMn_1-x-y(OH)₂，其中0.5≤x≤0.85，0＜y≤0.2；优选的，锂源选自氢氧化锂、碳酸锂中的至少一种；三元前驱体与锂源按照摩尔比Li：(Ni+Co+Mn)＝(1.04～1.06)：1进行充分混合研磨。含氧气氛为氧气、空气中的至少一种；气体的进气量为20～40L/min；同时，高温烧结的第一阶段温度为450～500℃，保温时长4～6h；第二阶段温度为850～920℃,保温时长12～16h。