[发明专利]一种高容量富锂层状晶体结构锂电池正极材料及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，特别是一种高容量富锂层状晶体结构锂电池正极材料及其制备。

背景技术

锂电池自1991年sony公司首次商品化以来，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发挥着重要的作用。由于具有高功率密度、高能量密度、高循环性能等优点，锂电池也已经成为目前比较公认的电动汽车的首选电池。随着国际不可再生能源储量的不断减少和环境污染的日益加深，电动汽车用电池尤其的是锂电池的研究备受关注。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，无论是理论上还是在实际应用中，所采用的正极材料的容量都低于负极材料，而电动汽车所需的动力电池既需要功率密度，也需要能量密度，因此研究开发出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。其中，最早商品化的钴酸锂生产工艺最成熟，循环寿命好，但是其充电后形成的4价钴强氧化性，存在安全隐患，而且钴酸锂的实际容量只有148mA/g，相对于动力电池的需求偏低。并且钴资源匮乏，价格昂贵且具有毒性。近年来以Ni、Co、Mn为基础的三元材料和以LiMn₂O₄为代表的尖晶石形材料得到了广泛的研究，但由于其各自存在缺陷，制约了他们的发展。最近，主要由Li₂MnO₃与层状材料LiMO₂（M=Mn,Ni,Co等其中的一种或几种）形成的固溶体作为锂电池富锂层状正极材料具有理论容量高、工作电压高、成本低、安全性能好等优点，有望成为新一代的高能量密度的锂电池正极材料。但是已经报道的富锂材料循环性能差，倍率性能不理想，限制了其竞争优势和广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种能量密度大、倍率性能佳、成本低、安全性好且使用寿命长的高容量富锂层状晶体结构锂电池正极材料及其制备。

本发明的技术方案：

一种高容量富锂层状晶体结构锂电池正极材料，结构为在粉末状富锂层状晶体材料的颗粒表面包覆一层LiNbO₃，其中粉末状富锂层状晶体材料的化学式为xLi₂MnO₃·(1-x)Li Ni_mCo_nMn_1-m-nO₂,式中：0.2≤x≤0.9、0.1≤m<1、0≤n≤0.5。

所述LiNbO₃的质量占材料总质量的1-10%。

所述包覆层LiNbO₃的厚度小于1μm。

一种所述高容量富锂层状晶体结构锂电池正极材料的制备方法，步骤如下：

（一）富锂层状[xMn·(1-x)Ni_mCo_nMn_1-m-n][OH]₂前驱体的制备：

1）以摩尔比Ni:Co:Mn=(1-x)m:(1-x)n:[(1-x)(1-m-n)+x]的比例配制镍钴锰硫酸盐溶液，其中0.2≤x≤0.9、0.1≤m<1、0≤n≤0.5；0<m+n<1；

2）以1L/h的速度向反应釜中匀速加入配制好的上述盐溶液，通过浓度为2-10M的氢氧化钠溶液在pH值为10-12的条件下进行共沉淀反应得到前驱体固液混合物；

3）在所有盐溶液完全注入反应釜后停止反应，固液混合物通过离心过滤分离，用去离子水洗涤至中性后，在80-200℃下烘干4-10h，得到分子式为[xMn·(1-x)Ni_mCo_nMn_1-m-n][OH]₂，式中0.2≤x≤0.9、0.1≤m<1、0≤n≤0.5、0<m+n<1的前驱体；

（二）高温固相法制备富锂层状晶体结构xLi₂MnO₃·(1-x)Li Ni_mCo_nMn_1-m-nO₂颗粒：

1）将上述前驱体与碳酸锂粉末按摩尔比1：1-2混合均匀；