正极活性材料、包含其的锂二次电池用正极和锂二次电池制造技术

本发明专利技术涉及一种正极活性材料、包含该正极活性材料的锂二次电池用正极和锂二次电池。该正极活性材料包含式1表示的锂过渡金属氧化物，和在所述锂过渡金属氧化物的表面上形成的含涂层元素M3的涂层，其中M3包括选自Al、Ti、Mg、Zr、W、Y、Sr和Co中的至少一种；所述锂过渡金属氧化物具有单个颗粒形式，并包含具有层状结构的中心部和具有岩盐结构的表面部，[式1]Li

【技术实现步骤摘要】
正极活性材料、包含其的锂二次电池用正极和锂二次电池
[0001]本申请是分案申请，其原申请的申请号为201980021816.3，申请日为2019年4月1日，专利技术名称为“锂二次电池用正极活性材料、其制备方法、包含其的锂二次电池用正极和锂二次电池”。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求于2018年4月6日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请10
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2018
‑
0040424号的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。


[0004]本专利技术涉及锂二次电池用正极活性材料、制备该正极活性材料的方法、包含该正极活性材料的锂二次电池用正极和锂二次电池。

技术介绍

[0005]随着技术的发展和对移动设备的需求的增加，对作为能源的二次电池的需求已经显著增加。在这些二次电池中，具有高能量密度、高电压、长循环寿命和低自放电率的锂二次电池已经商业化并被广泛使用。
[0006]锂过渡金属复合氧化物已经被用作锂二次电池的正极活性材料，并且在这些氧化物中，主要使用了具有高工作电压和优异的容量特性的锂钴复合金属氧化物(例如LiCoO2)。然而，由于脱锂引起的不稳定的晶体结构，LiCoO2具有非常差的热性质。而且，由于LiCoO2昂贵，因此在将大量LiCoO2用作诸如电动汽车等应用的电源时存在限制。
[0007]已开发了锂锰复合金属氧化物(LiMnO2或LiMn2O4)、磷酸铁锂化合物(LiFePO4等)或锂镍复合金属氧化物(LiNiO2等)作为替代LiCoO2的材料。在这些材料中，已经更加积极地研究和开发了锂镍复合金属氧化物，其中由于约200mAh/g的高可逆容量而可以容易地获得大容量电池。然而，LiNiO2的局限在于，LiNiO2的热稳定性比LiCoO2差，并且当由于外部压力而在充电状态下发生内部短路时，正极活性材料本身分解，导致电池破裂和燃烧。因此，作为改善低热稳定性同时保持LiNiO2优异的可逆容量的方法，已开发了部分镍(Ni)被钴(Co)、锰(Mn)或铝(Al)取代的锂镍钴金属氧化物。
[0008]然而，对于锂镍钴金属氧化物，结构稳定性和容量低，随着充放电的进行，镍会从Ni
2+
氧化为Ni
3+
或Ni
4+
，特别是在增加镍量以提高容量特性时，因此，由于进行快速的氧解吸，存在结构稳定性进一步降低的限制。
[0009]因此，需要开发展现出高容量特性的正极活性材料，其包含具有高Ni含量的锂镍钴金属氧化物，其中由于锂镍钴金属氧化物优异的结构稳定性而可以制备高容量且长寿命的电池。

技术实现思路

[0010][技术问题][0011]本专利技术的一个方面提供了一种正极活性材料，其包含具有单个颗粒形式并掺杂了
特定量的掺杂元素的锂过渡金属氧化物。
[0012]本专利技术的另一个方面提供了制备该正极活性材料的方法。
[0013]本专利技术的另一个方面提供了包含该正极活性材料的锂二次电池用正极。
[0014]本专利技术的另一个方面提供了包含该锂二次电池用正极的锂二次电池。
[0015][技术方案][0016]根据本专利技术的一个方面，提供了一种正极活性材料，其包含锂过渡金属氧化物，所述锂过渡金属氧化物掺杂有掺杂元素M2(其中M2是选自由铝(Al)、钛(Ti)、镁(Mg)、锆(Zr)、钨(W)、钇(Y)、锶(Sr)、钴(Co)、氟(F)、硅(Si)、钠(Na)、铜(Cu)、铁(Fe)、钙(Ca)、硫(S)和硼(B)组成的组中的至少一种)，并且基于除锂以外的过渡金属的总摩尔数含有60mol％以上量的镍，其中所述锂过渡金属氧化物具有单个颗粒形式，并包含具有层状结构的中心部和具有岩盐结构的表面部，并且基于所述正极活性材料的总重量，所述掺杂元素M2的含量为3,580ppm至7,620ppm。
[0017]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种制备正极活性材料的方法，所述方法包括：将基于过渡金属的总摩尔数含有60mol％以上量的镍的过渡金属前体、锂原料和含掺杂元素M2的原料混合，在800℃至1,000℃下烧结该混合物，以制备具有单个颗粒形式的锂过渡金属氧化物，其中混合所述含掺杂元素M2的原料以使得基于所述正极活性材料的总重量，所述掺杂元素M2的量为3,580ppm至7,620ppm。
[0018]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种锂二次电池用正极，其包含本专利技术的正极活性材料。
[0019]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种锂二次电池，其包含本专利技术的正极。
[0020][有利效果][0021]根据本专利技术，正极活性材料掺杂有特定掺杂元素，但控制了掺杂元素的量，使得在电池中使用该正极活性材料时，可改善高电压下的寿命特性。
[0022]根据本专利技术，在制备正极活性材料时，通过过烧结可以制备晶粒尺寸为180nm至300nm的单个颗粒形式的正极活性材料。当使用该正极活性材料制备正极时，可以防止由正极制备过程中的辊压造成的正极活性材料裂纹，从而在电池中使用该正极时改善电池的寿命特性。
附图说明
[0023]说明书中所附的以下附图通过示例示出了本专利技术的优选实例，并且与下文给出的本专利技术的详细描述一起用于使本专利技术的技术概念得到进一步理解，因此，本专利技术不应仅以这些附图中的内容来解释。
[0024]图1的左图是实施例1中制备的正极活性材料的低放大率扫描电子显微镜(SEM)图像，图1的右图是实施例1中制备的正极活性材料的高放大率SEM图像；
[0025]图2是实施例1中制备的正极活性材料的透射电子显微镜(TEM)图像；
[0026]图3的左图是实施例1中制备的正极活性材料的表面部的快速傅里叶变换(FFT)图案，图3的右图是该正极活性材料的表面部的高放大率TEM图像；
[0027]图4的左图是实施例1中制备的正极活性材料的中心部的FFT图案，图4的右图是该正极活性材料的中心部的高放大率TEM图像；
[0028]图5的左图是比较例1中制备的正极活性材料的低放大率扫描电子显微镜(SEM)图像，图5的右图是比较例1中制备的正极活性材料的高放大率SEM图像；
[0029]图6是比较例1中制备的正极活性材料的TEM图像；
[0030]图7的左图是比较例1中制备的正极活性材料的表面部的快速傅里叶变换(FFT)图案，图7的右图是该正极活性材料的表面部的高放大率TEM图像；
[0031]图8的左图是比较例1中制备的正极活性材料的中心部的FFT图案，图8的右图是该正极活性材料的中心部的高放大率TEM图像；
[0032]图9是示出实施例1和比较例1中制备的二次电池(单电池)的容量保持率的图；
[0033]图10是示出实施例1至3和比较例1至3中制备的二次电池(全电池)的容量保持率的图。
具体实施方式
[0034]下文将更具体地描述本专利技术。
[0035]将理解，说明书和权利要求书中使用的词语或术语不应解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正极活性材料，其包含：式1表示的锂过渡金属氧化物，和在所述锂过渡金属氧化物的表面上形成的含涂层元素M3的涂层，其中M3包括选自由Al、Ti、Mg、Zr、W、Y、Sr和Co组成的组中的至少一种；其中，所述锂过渡金属氧化物具有单个颗粒形式，并包含具有层状结构的中心部和具有岩盐结构的表面部，[式1]Li
1+a
[Ni
x
Co
y
M
1z
M
2w
]1‑
a
O2其中，在式1中，0≤a≤0.2，0.6≤x<1，0<y≤0.4，0<z≤0.4，0<w≤0.1，且x+y+z+w＝1，M1包括选自由Mn和Al组成的组中的至少一种，并且M2包括选自由Al、Ti、Mg、Zr、W、Y、Sr、Co、F、Si、Na、Cu、Fe、Ca、S和B组成的组中的至少一种；并且基于所述正极活性材料的总重量，掺杂元素M2和涂层元素M3的总量为4580ppm至9120ppm。2.如权利要求1所述的正极活性材料，其中，所述正极活性材料的晶粒尺寸为180nm至300nm。3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳泰求，朴英旭，黄进泰，郑王谟，朴星彬，
申请(专利权)人：株式会社LG新能源，
类型：发明
国别省市：