[发明专利]一种锂离子电池正极材料的掺杂改性技术

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种锂离子电池正极材料的掺杂改性技术。

背景技术

20世纪80年代初期，美国学者J.B.Goodenough等人首次发现了钴酸锂(LiCoO₂)，镍酸锂(LiNiO₂)和锰酸锂(LiMn₂O₄)可以作为脱嵌锂离子的材料，并申请了专利《Electrochemicalcellwithnewfastionconductors》(US4302518A)。其中钴酸锂以优异的电化学性能和良好的电极加工性能在20世纪90年代初被日本索尼公司成功的应用于首次商业化的小型电子产品用锂离子电池中作为正极材料。镍酸锂尽管具有很高的可逆比容量(210mAh/g)，但是其较差的结构稳定性和热稳定性以及合成困难等原因，无法在实际锂离子电池中得到应用。而动力型锂离子电池的发展对正极材料提出了更高的要求，如安全性、成本和循环性能等。钴酸锂由于其高昂的成本和热稳定性差等缺点，不适合作为动力型锂离子电池正极材料。

目前最有希望在动力型锂离子电池中使用的正极材料主要有改性尖晶石锰酸锂(LiMn₂O₄)，磷酸亚铁锂(LiFePO₄)与镍钴锰三元系(Li(Ni,Co,Mn)O₂)材料。磷酸亚铁锂(LiFePO₄)具有原材料来源丰富，成本低，循环寿命长，结构稳定性和热稳定性高等优点，但是其电子和离子电导率很低，使得该材料高倍率充放电性能和低温性能较差。此外，该材料还存在产品稳定性和一致性不好以及振实密度低、电极加工性能差等缺点。镍钴锰三元系(Li(Ni,Co,Mn)O₂)材料最初由日本学者T.Ohzuku和加拿大学者J.Dahn利用氢氧化物共沉淀前驱体在高温烧结下制备的。该材料具有较高的比容量和较好的结构稳定性与热稳定性，但也存在成本较高、振实密度较低和电极加工性能差等缺点。

为了克服现有材料存在的种种缺陷以及提高其性能，体相掺杂技术在2000年前被广泛用于正极材料的改性研究，并且取得了积极成果。比如锰酸锂和镍钴酸锂中掺杂铝元素以及磷酸铁锂中掺杂镁元素等，都对材料性能的提高有显著效果。2000年后，随着各种学者对材料研究的深入，发现正极材料颗粒的表面性质对其物理和电化学性能特别是对循环性能和高温性能的影响很大，因此正极材料表面的包覆改性成为研究的热点领域。目前国内外研究者多采用无机氧化物或者磷酸盐进行包覆和表面改性，如氧化铝、氧化镁、氧化钛以及磷酸铝等。采用无机氧化物或者磷酸盐对正极材料进行包覆改性尽管会提高其循环性能和安全性能，但是由于高温热处理时，金属氧化物或者磷酸盐晶粒会长大以及和正极材料进行反应，往往会导致包覆后材料的表面积增大，容量降低以及一致性差等问题，因此在实际生产中很少被采用。

中国专利CN104112860A公开了一种锂离子电池正极改性材料的制备方法，将电池正极材料以1-2:1的球料比进行球磨5-10小时，然后在900℃-1200℃下煅烧3-5小时，得初料；然后将初料进行稀土元素掺杂；最后采用纳米银包覆得到锂离子电池正极改性材料，该方法制得的正极材料安全性高，能量密度高，锂离子传导率高，但是使用传统材料进行加工，导致容量降低，稳定性不高的问题。中国专利CN104009216A公开了一种锂离子电池正极的改性材料及其制备方法，锂离子电池正极材料上包覆有质量分数为3-7％的氧化镨，包覆氧化镨后的锂离子电池正极的改性材料的化学式为：Li_1.17[Ni_0.21Co_0.12Mn_0.67]_0.83O₂/Pr₆O₁₁；这种材料有较大的放电比容量，优良的倍率放电，且循环性能较好，但是氧化镨价格高，对于锂离子电池来说成本过高，不利于市场走向。

发明内容

为了解决锂离子电池行业中正极材料性能无法达到动力型锂离子电池要求的问题，我们提出了一种锂离子电池正极材料的掺杂改性技术，采用本发明可以加强正极材料的电极加工性能、循环性能、高温储存性能及安全性能，满足高性能锂离子电池，特别是动力型锂离子电池的使用要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

为实现上述目的，本发明提供一种锂离子电池正极材料的掺杂改性技术，步骤如下：