一种正极活性材料、正极极片、锂离子电池及其应用制造技术

本申请属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种正极活性材料，并进一步公开其制备的正极极片及锂离子电池及其应用。本申请所述正极活性材料，包含锂镍钴锰氧化物，通过优化掺杂元素和掺杂均匀性，使材料在充放电过程中的晶胞参数变化较小，有效提高了材料的结构稳定性及材料发生相转变的温度，可改善二次电池的电化学性能。采用本申请所述正极活性材料的锂离子电池具有克容量较高、动力学较好和循环性能较优的性能优势。优的性能优势。优的性能优势。

【技术实现步骤摘要】
一种正极活性材料、正极极片、锂离子电池及其应用


[0001]本申请属于锂离子电池
，具体涉及一种正极活性材料，并进一步公开其制备的正极极片、锂离子电池及其应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有比能量高、功率性能好、自放电低和循环寿命长等优点，已被广泛应用于各个领域。研究显示，正极材料的特性对电池的的能量密度、安全、寿命等性能具有决定性作用，提高正极材料的性能是调节电池性能的重要手段。为进一步推动锂离子电池行业发展，需开发更具性价比的正极材料，从而提高锂离子电池的能量密度，锂离子电池行业发展具有积极意义。

技术实现思路

[0003]为此，本申请所要解决的技术问题在于提供一种正极活性材料，所述正极活性材料通过优化掺杂元素和掺杂均匀性，使正极活性材料在充放电过程中的晶胞参数变化较小，提高正极活性材料晶体结构稳定性，且通过掺杂可调控晶体生长，合成尺寸适中和结晶性较好的正极活性材料，含有本申请的正极活性材料的锂离子电池具有克容量较高、动力学较好和循环性能较优的性能优势。
[0004]本申请所要解决的第二个技术问题在于提供上述三元正极活性材料的制备方法。
[0005]本申请所要解决的第三个技术问题在于提供基于上述三元正极活性材料制备的锂离子电池。
[0006]为解决上述技术问题，本申请所述的一种正极活性材料，所述材料包含锂镍钴锰氧化物；所述正极活性材料包含元素M，所述元素M包括Zr、W、Y、Sr、Al、Ti、Mo、La、Nb、Ce、In、V、B、Cu、Cr、Ba、Mg、Na或Si元素中的至少一种；
[0007]所述正极活性材料在脱锂百分比为9％至90％时，所述正极活性材料满足如下关系：晶胞体积V的最大变化率ΔV
max
≤7.2％；
[0008]其中，ΔV
max
＝V
max
‑
V
min
，所述V的计算公式如下：
[0009]V＝abcsin120
°
，或者，V＝a2csin120
°
；
[0010]其中，a、b、c分别为所述正极活性材料六方晶系的晶胞边长。
[0011]具体的，所述正极活性材料在脱锂百分比为9％至90％时，所述正极活性材料的晶胞边长a的最大变化率Δa
max
≤2.2％，所述晶胞边长c的最大变化率Δc
max
≤2.9％；
[0012]其中，Δa
max
和Δc
max
通过原位XRD法进行测试及计算得到。
[0013]根据本申请的一些实施例，，所述正极活性材料包含如Li
1+m
[Ni
x
Co
y
Mn
z
M
p
]O2所示的锂镍钴锰氧化物；
[0014]其中，
‑
0.2≤m<0.2，0.3≤x<1，0<y<0.4，0<z<0.4，0≤p<0.1，x+y+z+p＝1；
[0015]所述元素M包括Zr、W、Y、Sr、Al、Ti、Mo、La、Nb、Ce、In、V、B、Cu、Cr、Ba、Mg、Na或Si元素中的至少一种。
[0016]具体的，所述正极活性材料中，单个所述元素M的质量浓度偏差η≤20％，其中，η＝(M
max
‑
M
min
)/M
mean
；
[0017]其中，M
max
为所述正极活性材料颗粒截面中任意15
‑
25个区域的单个所述元素M质量分数的最大值，M
min
为所述正极活性材料颗粒截面中所述任意15
‑
25个区域的单个所述元素M质量分数的最小值，M
mean
为所述正极活性材料颗粒截面中任意15
‑
25个区域的单个所述元素M质量分数的平均值。
[0018]根据本申请的一些实施例，元素M为掺杂元素。
[0019]根据本申请的一些实施例，所述正极活性材料上有包覆层，所述包覆层包含元素Q，所述元素Q包括Al、Ti、W、B、F、Cl、P或N元素中的至少一种。
[0020]根据本申请的一些实施例，所述元素M的质量百分含量p与所述元素Q的质量百分含量q满足如下关系：p≥q，且0.1％≤(p+q)≤1.5％。
[0021]根据本申请的一些实施例，所述正极活性材料在温度T1≥150℃时开始发生层状结构向尖晶石结构的相转变；所述正极活性材料在温度T2≥185℃时开始发生尖晶石结构向岩盐结构的相转变。
[0022]根据本申请的一些实施例，所述正极活性材料的Dv50为2.5μm
‑
16μm，其中，Dv50为所述正极活性材料的体积累计分布百分数达到50％时对应的粒径。
[0023]本申请还公开了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔膜以及电解液，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面上的正极活性材料层，所述正极活性材料层包含所述的正极活性材料。
[0024]根据本申请的一些实施例，所述正极极片的DSC起始温度在180℃以上，放热量小于1600J/g；
[0025]其中，所述DSC的测试条件为由室温加热至400℃，升温速率为5℃/min，按样品质量与电解液比例为1mg：0.55μL的比例添加测试电解液。
[0026]根据本申请的一些实施例，所述锂离子电池经1C充放电循环至循环容量保持率低于80％时，所述正极活性材料晶胞边长a的变化率Δa≤1.8％，晶胞边长c的变化率Δc≤1.9％，晶胞体积V的变化率ΔV≤5.6％。
[0027]根据本申请的一些实施例，所述锂离子电池中，所述正极活性材料的颗粒表面具有保护膜，所述保护膜中包含LiF和Li2CO3，所述LiF和所述Li2CO3的摩尔比例为1.2
‑
3。
[0028]根据本申请的一些实施例，所述锂离子电池经过1C充放电循环至循环容量保持率低于80％后，对正极极片采用飞行时间二次离子质谱测试，所述正极极片在73.11
‑
74.35有第一峰、在74.36
‑
77.35有第二峰、在77.36
‑
78.22有第三峰，所述第一峰、所述第二峰和所述第三峰的峰强度大小关系为：第二峰＜第一峰＜第三峰。
[0029]根据本申请的一些实施例，对所述负极极片进行ICP测试，所述负极极片包含过渡金属元素Ni、Co和Mn，基于负极极片的重量，所述Ni元素、所述Co元素和所述Mn元素的含量范围如下：Ni≤800ppm，Co≤150ppm，Mn≤600ppm。
[0030]本申请所述正极活性材料，通过优化掺杂元素和掺杂均匀性，使材料在充本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正极活性材料，其特征在于，包含锂镍钴锰氧化物；所述正极活性材料包含元素M，所述元素M包括Zr、W、Y、Sr、Al、Ti、Mo、La、Nb、Ce、In、V、B、Cu、Cr、Ba、Mg、Na或Si元素中的至少一种；所述正极活性材料在脱锂百分比为9％至90％时，所述正极活性材料满足如下关系：晶胞体积V的最大变化率ΔV
max
≤7.2％；其中，ΔV
max
＝V
max
‑
V
min
，所述V的计算公式如下：V＝abcsin120
°
，或者，V＝a2csin120
°
；其中，a、b、c分别为所述正极活性材料六方晶系的晶胞边长。2.根据权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料在脱锂百分比为9％至90％时，所述正极活性材料的晶胞边长a的最大变化率Δa
max
≤2.2％，所述晶胞边长c的最大变化率Δc
max
≤2.9％；其中，Δa
max
和Δc
max
通过原位XRD法进行测试及计算得到。3.根据权利要求1或2所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料包含如Li
1+m
[Ni
x
Co
y
Mn
z
M
p
]O2所示的锂镍钴锰氧化物；其中，
‑
0.2≤m<0.2，0.3≤x<1，0<y<0.4，0<z<0.4，0≤p<0.1，x+y+z+p＝1。4.根据权利要求3所述的正极活性材料，其特征在于，单个所述元素M的质量浓度偏差η≤20％，其中，η＝(M
max
‑
M
min
)/M
mean
；其中，M
max
为所述正极活性材料颗粒截面中任意15
‑
25个区域的单个所述元素M质量分数的最大值，M
min
为所述正极活性材料颗粒截面中所述任意15
‑
25个区域的单个所述元素M质量分数的最小值，M
mean
为所述正极活性材料截面中所述任意15
‑
25个区域的单个所述元素M质量分数的平均值。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料上有...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡燚，陈巍，欧阳云鹏，谢东，
申请(专利权)人：欣旺达电动汽车电池有限公司，
类型：发明
国别省市：