[发明专利]一种高容量异质核壳结构锂电正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，具体是一种高容量异质核壳结构锂电正极材料及其制备方法。

背景技术

锂电池自1991年Sony公司首次商品化至今21年来，在手机、数码相机、笔记本电脑等3C产品中受到广泛应用，在人们的日常生活中亦发挥着重要的作用。由于锂电池具有容量高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、无环境污染和安全性能好等优点，其已经成为高新技术发展的重点之一，所以锂电池被认为是高容量、大功率电池的理想之选，同时是21世纪的环保电源。随着不可再生能源储量的不断减少和环境污染的日益加深，电动汽车所用电池尤其关注锂电池的研究。就目前情况来看，锂电池正极材料的研究与负极相比相对滞后，无论是在理论还是在实际应用当中，所采用的正极材料的容量普遍低于负极材料，而电动汽车所需的动力电池既需要大的功率密度，也需要高的能量密度，因此研究开发出一类高性能的锂电池正极材料已经成为动力电池发展的关键所在。近年来以Ni、Co、Mn为基础的层状富锂相材料和以LiMn₂O₄、LiNi_0.5Mn_1.5O₄为代表的尖晶石型材料得到了广泛的研究，但由于各自存在的缺陷，制约了此类材料的研究与发展。例如，主要由Li₂MnO₃与层状材料LiMO₂（M=Mn, Ni, Co等其中的一种或几种）形成的层状富锂相固溶体材料因其具有高的比容量、高的功率密度和宽的工作电压范围，正逐渐成为世界范围内的研究热点之一。然而已经报道的富锂材料因存在不可逆容量比较大、循环性能较差、倍率性能不理想等问题，限制了其竞争优势和广泛应用。尖晶石材料作为高压锂电正极材料LiNi_xMn_2-xO₄(0≤x≤0.5)由于其三维Li⁺扩散通道而表现出了很好的性能，并且在一定电压范围内具有较好的循环性能，但是其放电比容量较低、工作电压范围小，如在2.7V左右，会发生John-Teller效应，最终导致结构的坍塌，而且不满足在生产应用中越来越需要较大的工作电压范围的正极材料而没有得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种高容量异质核壳结构锂电正极材料及其制备方法，该正极材料可在较大的电压范围内使用，既具有层状富锂相材料比容量高、工作电压范围宽的特性，又具有尖晶石相材料的循环稳定性，显著提高了材料的综合性能。

本发明的技术方案：

一种高容量异质核壳结构锂电正极材料，是以富锂相材料为壳材料、以尖晶石相材料为核材料构成的具有核壳结构的层状复合材料，其分子式为x[Li_0.5Ni_aCo_bMn_1-a-bO₂]-(1-x)[ Li_1.5Ni_mCo_nMn_1-m-nO_2.5]，式中0.2≤x≤0.9 、0＜a≤1、0＜b≤1、0＜m≤1 、0＜n≤1。

一种所述高容量异质核壳结构锂电正极材料的制备方法，步骤如下：

1）将NiSO₄·6H₂O、CoSO₄·7H₂O和MnSO₄·H₂O混合后溶于去离子水中，制得浓度为2-4mol/L的混合盐溶液；

2）利用定量泵将上述混合盐溶液以恒定的速率打入到反应釜中，在搅拌条件下，利用变量泵将0.2M的氨水和2-4M的碳酸钠溶液的混合溶液打入到反应釜中，通过实时在线精密监控，使反应釜中混合溶液的PH值恒定为7-9，进行共沉淀反应，搅拌速度为300-800rpm，反应时间为20-30小时，然后静置24h，分离沉淀物并用去离子水洗涤沉淀物至中性，在炉温80-200℃下烘干8-12h，得到碳酸锰钴镍前驱体；

3）将上述碳酸锰钴镍前驱体与粉末状锂源混合均匀后，置于马弗炉中进行焙烧，焙烧温度为300-1200℃，焙烧时间8-30h，然后经冷却、过筛，得到具有尖晶石结构粉体颗粒状的核材料；