一种硼硅共掺杂三元正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硼硅共掺杂三元正极材料及其制备方法，将三元正极材料置于反应腔中，对反应腔进行抽真空，然后通入硼源气体和硅源气体，用加热丝加热使气体分解进行气相沉积，得到硼硅共掺杂三元正极材料。本发明专利技术通过化学气相沉积法对三元正极材料进行硼硅共掺杂，可以有效避免传统固体掺杂源与锂源反应，造成实际配锂量与设计值出现偏差的问题，并且掺杂均匀，材料的电化学性能优异。材料的电化学性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种硼硅共掺杂三元正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，尤其涉及一种硼硅共掺杂三元正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球化石燃料资源的枯竭，能源危机问题日益加重。传统内燃机汽车使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染问题。为了解决传统汽车的燃料问题，新能源汽车应运而生。目前新能源汽车使用锂离子电池驱动，这就对锂离子电池的性能有很高的要求，高的能量密度，良好的循环性能和优异的安全性能等，都是需要考量的技术指标，其中正极材料对于锂离子电池性能的影响最为主要。三元层状过渡金属氧化物(LiNi
x
Co
y
M1‑
x
‑
y
O2，M＝Mn或Al)由于拥有较高的能量密度，成为目前研究的热点。随着三元层状过渡金属氧化物中Ni元素含量的提高，虽然材料的能力密度得到了提升，但随之而来的是材料结构稳定性变差，导致材料的循环性能和安全性下降。因此，开发出既有较高能量密度，同时又有优异循环性能和安全性的三元层状过渡金属氧化物正极材料是目前研究的方向。
[0003]根据目前的研究可知，随着三元层状过渡金属氧化物正极材料中Ni元素含量的提高，在电池充放电过程中，Li
+
/Ni
2+
混排现象更为严重，晶体结构发生畸变，最终导致电池的循环性能变差，而掺杂是解决这一问题的有效手段之一。通过不同元素的掺杂，不仅能改善电池的循环性能，同时可以还在一定程度上增强了材料的电化学性能，提升电池的容量。
[0004]通过在三元层状过渡金属氧化物材料中掺杂硼(B)元素，可以在材料的表面形成BO
‑
x
和LiBO
‑2，BO
‑
x
和LiBO
‑2可以有效阻止材料表面活性物质与空气发生直接反应，减少残碱的生成，在一定程度上提升了材料的克容量发挥；B元素还会和材料中的氧(O)形成键能更高，稳定性更强的的B
‑
O键，可以在一定程度上提高晶体相变的可逆性和晶体结构的稳定性，可以有效的增强正极电解质界面膜的强度，从而提升材料的循环性能。但是，目前的B元素掺杂方法面临着操作复杂的问题，而且所使用的固体掺杂源(如硼酸和氧化硼等)，由于其熔点较低，会导致在反应过程中，硼掺杂源提前与锂源反应，导致材料中配锂量偏离预算值，同时掺杂不均匀，效果差。而且，单独掺杂B元素对三元正极材料的性能改善效果有限。

技术实现思路

[0005]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种硼硅共掺杂三元正极材料及其制备方法。
[0006]本专利技术提出的一种硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，包括：将三元正极材料置于反应腔中，对反应腔进行抽真空，然后通入硼源气体和硅源气体，用加热丝加热使气体分解进行气相沉积，得到硼硅共掺杂三元正极材料。
[0007]优选地，所述硼源气体为三甲基硼烷与载气的混合气体，硼源气体的流量为10
‑
150sccm，三甲基硼烷的体积占硼源气体总体积的0.1％
‑
0.5％。
[0008]优选地，所述硅源气体为四甲基硅烷与载气的混合气体，硅源气体的流量为1
‑
100sccm，四甲基硅烷的体积占硅源气体总体积的0.1％
‑
1％。
[0009]优选地，所述载气为惰性气体，优选为氮气、氦气、氩气中的至少一种。
[0010]优选地，所述加热丝的加热功率为5000
‑
6500W，加热时间为2
‑
4h。
[0011]在本专利技术中，气相沉积是在CVD设备的反应腔中进行，其中CVD设备为常规设备，例如可以是HFCVD设备。加热丝的材质为常规材质，优选可以为钽(Ta)丝或者钨(W)丝。
[0012]在本专利技术中，可以将加热丝固定于CVD设备反应腔中的丝架上，并将丝架固定于三元正极材料的上方。
[0013]在本专利技术中，可以将三元正极材料置于反应腔中的基台上。
[0014]在本专利技术中，气相沉积结束后，还可以包括：冷却、破碎、过筛处理。
[0015]优选地，所述硼硅共掺杂三元正极材料中，硼元素的摩尔百分比为500
‑
3000ppm，硅元素的摩尔百分比为500
‑
2000ppm。
[0016]优选地，所述三元正极材料是由三元正极材料前驱体与锂源混合后，经过烧结得到。
[0017]优选地，所述三元正极材料前驱体的化学式为Ni
x
Co
y
Mn
z
(OH)2，式中0.3<x<1、0<y<0.4、0<z<1、x+y+z＝1，优选地，式中0.6≤x<1、0.05≤y<0.2、0.05≤z<0.2、x+y+z＝1。
[0018]优选地，所述三元正极材料前驱体中Ni、Co、Mn元素的摩尔数之和与锂源中Li元素的摩尔数之比为1：(1.01
‑
1.1)，优选为1：(1.02
‑
1.08)；所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂或其组合。
[0019]优选地，所述烧结温度为600
‑
1000℃，优选为700
‑
900℃；所述烧结时间为5
‑
20h，优选为10
‑
16h。
[0020]优选地，所述烧结的气氛为空气或者氧气气氛，优选为氧气气氛。
[0021]一种硼硅共掺杂三元正极材料，由所述的制备方法制得。
[0022]本专利技术的有益效果如下：
[0023]本专利技术采用化学气相沉积法在三元层状过渡金属氧化物材料中同时掺杂硼(B)元素、硅(Si)元素，使用气相的硼源和硅源，通过反应设备对掺杂源气体进行分解，实现原子级别的掺杂，一次反应制备出B，Si共掺杂三元正极材料，其中B的掺杂可以在材料的表面形成BO
‑
x
和LiBO
‑2，BO
‑
x
和LiBO
‑2可以有效阻止材料表面活性物质与空气发生直接反应，减少残碱的生成，B元素还会和材料中的氧(O)形成键能更高，稳定性更强的的B
‑
O键，可以在一定程度上提高晶体相变的可逆性和晶体结构的稳定性；Si的掺杂可以对材料晶体结构的稳定性起到一定的维持作用，从而达到提升正极材料循环性能的目的，同时，B、Si的掺杂还会形成协同效应，进而进一步提升正极材料的电化学性能。本专利技术的掺杂方法操作简便，有效地避免了B掺杂源与锂源发生副反应，同时使用气体掺杂在很大程度上解决了掺杂不均匀这一问题，也减少了固体掺杂源反应不完全，残留掺杂源影响三元材料性能的问题，从而使B、Si元素均匀、稳定地掺杂到三元正极材料中，更好地发挥其提高电化学性能的效果，使制得的硼硅共掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，其特征在于，将三元正极材料置于反应腔中，对反应腔进行抽真空，然后通入硼源气体和硅源气体，用加热丝加热使气体分解进行气相沉积，得到硼硅共掺杂三元正极材料。2.根据权利要求1所述的硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述硼源气体为三甲基硼烷与载气的混合气体，硼源气体的流量为10
‑
150sccm，三甲基硼烷的体积占硼源气体总体积的0.1％
‑
0.5％。3.根据权利要求1所述的硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述硅源气体为四甲基硅烷与载气的混合气体，硅源气体的流量为1
‑
100sccm，四甲基硅烷的体积占硅源气体总体积的0.1％
‑
1％。4.根据权利要求1所述的硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述加热丝的加热功率为5000
‑
6500W，加热时间为2
‑
4h。5.根据权利要求1所述的硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述硼硅共掺杂三元正极材料中，硼元素的摩尔百分比为500
‑
3000ppm，硅元素的摩尔百分比为500
‑
2000ppm。6.根据权利要求1所述的硼硅共掺杂三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述三元正极材料是由三元正极材料前驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡渊，王庆莉，刘星，高玉仙，李道聪，杨茂萍，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：