[发明专利]经表面改性的锂离子电池正极材料及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种经表面改性的锂离子电池用正极材料及方法，尤其涉及一种金属化合物和碳复合包覆改性的锂离子电池正极材料及方法。

背景技术

锂离子电池因具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长和无污染、自放电率低等优点，已经占据便携式电子产品的市场，在电动工具、电动汽车等领域具有很好的发展潜力。

锂离子电池的核心是正、负极储锂活性材料，其中正极活性材料作为锂离子电池中Li⁺的来源，是电池能量密度的基础，也是制约电池性能提升的重要因素。锂离子电池中正极材料在充电和开路搁置过程中，其与电解液的界面在热力学上是不稳定的，电解液中的溶剂有被氧化形成更加稳定物质的趋势，正极材料中的金属离子也会溶出到电解液中。因此，锂离子电池在循环或储存过程中，正极表面不断积累副反应的产物如LiF和Li₂CO₃等，溶出的金属离子迁移到负极并沉积在表面，促进SEI膜的生长，这不仅消耗了活性锂，而且导致电极表面阻抗增加，引起功率特性、使用寿命和安全性能的明显衰减。因此，锂离子电池正极材料应用于动力电池时，还需要对其进行改性，以提高其与电解液的相容性。表面改性是改进正极材料性能最有效的方法之一，可以直接阻隔正极材料与电解液的接触，抑制其与电解液之间的副反应以及电解液对材料的腐蚀，使材料晶体结构的完整性得到更持久的保护，从而有效提高材料与电解液界面的化学和结构稳定性，延长电池的使用寿命并增强安全性能。现有的表面改性方法通常是在正极材料表面包覆一层金属化合物，如Al₂O₃、MgO、ZrO₂、Co₃(PO₄)₂、AlPO₄和AlF₃等，虽然可以有效提高正极材料的循环性能和热稳定性，但是由于包覆层自身的低电子电导率，会影响包覆后正极材料的大电流充放电性能性能。从而引导出本申请的构思，设想表面的改性由金属化合物和碳符合包覆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经表面改性的锂离子电池正极材料及方法，已克服现有技术的不足。

本发明采取的技术方案为：

一种锂离子电池正极材料的表面改性，其特征在于所述的正极材料为LiNi_xCo_yM_zO₂、LiMn₂O₄或复合，式中x+y+z=1，0≤x≤1，y，z≤1，M为Mn、Al或Mg，其特征在于所述的表面改性是通过金属化合物和碳材料复合包覆于锂离子电池正极实施的，金属化合物与正极材料的质量百分比为0.1-10%，碳材料与正极材料的质量比为0.1-5%。改性方法是将锂离子电池正极材料与金属化合物、碳源材料一起加入到溶剂中形成可流动浆料，在搅拌下调节pH值使金属化合物和碳源一起形成溶胶吸附在正极材料表面。将此混合物烘干后再经高温热处理，得到金属化合物和碳复合包覆的表面改性的正极材料，其具体步骤如下：

（1）正极材料的表面包覆

将锂离子电池正极材料、金属化合物和碳源材料一起加入到溶剂中形成可流动的浆料。锂离子电池正极材料为LiNi_xCo_yM_zO₂(x+y+z=1，0≤x，y，z≤1，M=Mn、Al或Mg)、LiMn₂O₄或其复合正极材料。金属化合物包括金属的氧化物、氟化物、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐、有机醇盐或有机酯盐中的一种，其中金属为Al、Mg、Zn、Ti、Zr、Bi、La或Ce中的一种。碳源材料为碳黑、纳米碳管、纳米碳纤维、石墨烯或有机碳化合物中一种或几种。溶剂为有机醇类、有机醚类或水中的一种或几种。

浆料在搅拌下调节pH值使金属化合物和碳源一起形成溶胶吸附在正极材料表面。

（2）正极材料的热处理

将上述混合物在50-200℃下烘干后，经300-600℃的高温热处理，时间为0.5-6小时，使得表面包覆层与正极材料基体之间在高温下通过相互离子扩散，提高包覆层与基体之间的结合力，并降低两层之间Li⁺的扩散阻力。金属化合物的包覆量控制在正极材料的0.1-10wt%，碳材料包覆量控制在正极材料的0.1-5wt%。

本发明与现有的方法相比，具有以下优点：