一种锂离子电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，所述锂离子电池正极材料的化学式为Li

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，更具体地，涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，以及采用正极材料制备的电极片和包含该电极片的锂离子电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于其众多优势而广泛应用于消费电子类产品、新能源电动车、航空航天、规模储能等领域。随着储能电池需求的不断提升，人们对其能量密度和使用寿命提出了更高的要求。锂离子电池高镍三元正极材料(例如LiNi
0.6
Co
0.2
Mn
0.2
O2)具有较高的充放电比容量(～175mAh g-1
)、较高的工作电压平台(3.65V)和较大的材料真密度(4.65g cm-3
)以及压实密度(～3.6g cm-3
)等优势，已经成为锂离子电池领域正极材料研究的热点，有望成为下一代高能量密度锂离子电池的正极材料。然而，这类材料在电化学循环过程中晶体结构不稳定、高电压下容易发生不可逆相变，导致材料的充放电比容量降低、循环性能和倍率性能较差，这些问题严重阻碍着高镍三元材料的产业化应用。目前，研究者广泛采用包覆、异质元素掺杂、浓度梯度设计等方法来提升材料的电化学性能。然而，这些方法很难可控地调节材料的Li
+
/Ni
2+
混排以及构筑表面梯度层进而可控地调控材料的电化学性能。此外，制备表面有Li浓度梯度以及Li
+
/Ni
2+
混排可控调节的三元正极材料目前仍是一项巨大的挑战。因此，研发一种具有更高比容量、更高循环稳定性的新型正极材料对于构筑下一代高能量密度锂离子电池具有重要的商业价值和应用前景。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高比容量、长循环寿命的锂离子电池正极材料及其制备方法。本专利技术提供的锂离子电池正极材料的化学式为Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
O2，其中0<x≤1，a+b+c＝1；所述锂离子电池正极材料的晶体结构为层状，其包括内层及表层，所述内层中锂均匀分布，所述表层中锂含量从颗粒表面向内部梯度递减；且所述锂离子电池正极材料的Li
+
/Ni
2+
的混排度可控。利用该材料制备的电极具有高比容量、更高循环稳定性、较高的充放电比容量及较高的工作电压平台。所述锂离子电池正极材料通过溶液拓扑化学反应制备而得，该制备方法具有反应时间快、反应均匀、成本低、制备的材料一致性好等优势，此外，所述方法不需要高温热处理，无有毒有害气体产生，设备要求简单，反应溶液可循环利用且没有废弃物产生，是一种绿色高效的制备方法。
[0004]为实现以上目的，本专利技术提供的具体技术方案为：
[0005]一种锂电池正极材料，所述锂离子电池正极材料的化学式为Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
O2，其中0<x≤1，a+b+c＝1；所述正极材料的晶体结构为层状，其包括内层及表层，所述内层中锂均匀分布，所述表层中锂含量从颗粒表面向内部梯度递减；所述Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
O2正极材料中Li
+
/Ni
2+
的混排度在2.0～6.0之间。
[0006]本专利技术进一步提供上述锂电池正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)采用一种氧化还原电势低于正极材料的A溶液与LiNi
a
Co
b
Mn
c
O2(a+b+c＝1)正极材料
进行化学反应；2)将所述化学反应所得产物进行离心清洗并干燥。从而获得所述锂电池正极材料。
[0007]进一步地，所述A溶液中的Li与LiNi
a
Co
b
Mn
c
O2中的Li的摩尔比为0.001～1，优选为0.04～0.1。
[0008]进一步地，所述化学反应的反应时间为30s-10h，优选为3-30min。
[0009]进一步地，所述化学反应的反应温度为0-60℃，优选为20～40℃。
[0010]进一步地，所述A溶液为B与C的混合物，其中B为茚锂、蒽锂、萘锂、菲锂、芘锂、1-甲基萘锂、2-甲基萘锂、二苯甲酮锂、联苯锂中的一种或者多种，C为四氢呋喃或者乙二醇二甲醚；或，B为金属锂，C为锂电池电解液。
[0011]本专利技术还提供一种锂离子电池电极片，包括集流体和涂覆在所述集流体上的电极活性物质，所述电极活性物质采用上述锂离子电池正极材料。
[0012]本专利技术还提供一种采用上述锂离子电池电极片的锂离子电池，所述锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔膜、有机电解液以及电池壳，其中，所述正极极片采用上述锂离子电池正极材料。
[0013]本专利技术的有益效果为：
[0014]1、本专利技术制备得到的锂离子电池正极材料的晶体结构为层状，其包括内层及表层，所述内层中锂均匀分布，所述表层中锂含量从颗粒表面向内部梯度递减；且所述锂离子电池正极材料的Li
+
/Ni
2+
的混排度可控。本专利技术正极材料晶体结构稳定、高电压下不容易发生不可逆相变，能够可控地调节材料的Li
+
/Ni
2+
混排以及构筑表面梯度层进而可控地调控材料的电化学性能。利用该材料制备的电极具有高比容量、更高循环稳定性、较高的充放电比容量及较高的工作电压平台。
[0015]2、本专利技术锂离子电池正极材料的制备方法，具有反应时间快、反应均匀、成本低、制备的材料一致性好等优势，此外，制备过程中不需要高温热处理，无有毒有害气体产生，设备要求简单，反应溶液可循环利用且没有废弃物产生，绿色高效。
附图说明
[0016]图1是按照本专利技术的优选实施例1所得产物的XRD结构图；
[0017]图2是按照本专利技术的优选实施例1所得产物的X射线近边吸收谱和Ni、Co、Mn元素的价态拟合图；
[0018]图3是按照本专利技术的优选实施例1所得产物的TEM图和相应的晶体结构示意图；
[0019]图4是按照本专利技术的优选实施例1所得产物的不同刻蚀深度Li1s的XPS图；
[0020]图5是实施例一所得产物的结构示意图；
[0021]图6是按照本专利技术的优选实施例1所得产物的电化学性能表征；
[0022]图7是按照本专利技术的优选实施例2所得产物的SEM形貌图；
[0023]图8是按照本专利技术的优选实施例2所得产物的电化学性能表征；
[0024]图9是按照本专利技术的优选实施例3所得产物的SEM形貌图；
[0025]图10是按照本专利技术的优选实施例3所得产物的电化学性能表征；
[0026]图11是按照本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极材料，其特征在于：所述正极材料的化学式为Li
1+x
Ni
a
Co
b
Mn
c
O2，其中0＜x≤1，a+b+c＝1；所述正极材料的晶体结构为层状，其包括内层及表层，所述内层中锂均匀分布，所述表层中锂含量从颗粒表面向内部梯度递减；所述正极材料中Li
+
/Ni
2+
的混排度在2.0～6.0之间。2.一种如权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)采用氧化还原电势低于正极材料(LiNi
a
Co
b
Mn
c
O2(a+b+c＝1))的A溶液与LiNi
a
Co
b
Mn
c
O2(a+b+c＝1)正极材料进行化学反应；其中所述A溶液与所述LiNi
a
Co
b
Mn
c
O2正极材料的反应比例为所述A溶液中的Li与所述LiNi
a
Co
b
Mn
c

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永明，刘枭枭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：