[发明专利]一种经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，涉及一种表面氟化处理的锂离子电池LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(简称NCA)正极材料及其制备方法。

背景技术

由于锂离子电池具有高放电电压、高比能量、长循环寿命、绿色环保、自放电小、无记忆效应等突出优点，被广泛应用于移动电话、笔记本电脑和其他便携式电器，并逐步向大功率系统如电动汽车、智能电网、卫星以及分布式能源系统等领域拓展。锂离子电池的电化学性能主要取决于所用电极材料和电解质的结构和性能，尤其是电极材料。最先实现商品化的正极材料是LiCoO₂，现在依旧广泛活跃于商业市场。但是LiCoO₂正极材料中Co元素有毒，价格昂贵资源匮乏，热力学稳定性差，在电池的使用过程中存在着可能爆炸的安全隐患，严重制约了LiCoO₂正极材料的进一步发展和大规模商业化生产与应用。

在LiCoO₂的诸多替代候选材料中，NCA材料因其高容量、低成本、少污染而受到人们的关注。索尼公司采用NCA材料组装成电池进行测试，以0.5C的充放倍率循环270次后，容量为10Ah的电池仍有90%的容量保持率。在软包装电池中，此材料的能量密度己经达到了150Wh/kg，应用前景极为乐观。

虽然NCA正极材料在可逆比容量、安全性、成本等重要方面达到了实际应用的要求，然而，其依然存在一些急需解决的问题：(1)由阳离子混排引起的首次循环充放电效率低以及结构稳定性差；(2)充电末期产生强氧化性的Ni⁴⁺与电解质发生副反应，分解析出副产物O₂，带来安全隐患；(3)镍系正极材料本身碱度大，表面粗糙，导致其极易吸潮，储存性能差。针对于NCA材料上述缺点，目前最主要的改性方法是对其进行包覆，隔绝材料本身与电解液和空气的直接接触，从而提高材料的循环性能，但这种改性方法却是以牺牲材料本身的放电容量为代价的，而且制备方法相对复杂，不利于工业规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料及其制备方法，侧重于表面修饰方法的创新性与简便性，在提高材料循环稳定性的同时也能较大幅度地提高材料的放电比容量。

为达到上述目的，本发明提供了一种经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料的制备方法,该方法包含:

步骤1，称量含氟化合物和NCA正极材料，其中，含氟化合物和NCA正极材料的用量摩尔比为0.25~2:100；

步骤2，混合含氟化合物和NCA正极材料，研磨成粉末；

步骤3，将混合好的粉末，300℃-700℃温度下热处理1-5小时，得到经表面氟化处理的NCA正极材料；

所述的NCA正极材料为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂；

所述的含氟化合物在300-700℃温度范围内发生热分解反应。

上述的经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料的制备方法,其中,步骤1所述的NCA正极材料为球形晶粒，平均粒径为14μm。

上述的经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料的制备方法,其中,步骤1所述的含氟化合物为NH₄F。

上述的经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料的制备方法,其中,所述的步骤2中，研磨时间为半小时。

上述的经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料的制备方法,其中,步骤3中所述的热处理，升温速率为5℃/min，保温时间2小时。

上述的经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料的制备方法,其中,步骤3所得的经表面氟化处理的NCA正极材料中，氟的含量和NCA正极材料的摩尔比为0.25~2:100。

本发明还提供了一种根据上述的方法制备的经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料，该经表面氟化处理的锂离子电池NCA正极材料中，氟的含量和NCA正极材料的摩尔比为0.25~2:100。

本发明的技术方案具有以下优点：

首次采用氟化处理对锂离子电池NCA正极材料进行表面修饰改性，用F取代活性物质中部分的O，提高NCA正极材料的结构稳定性与电子导电性，在提高材料循环稳定性的同时也能较大幅度地提高材料的放电比容量。这种改性方法能实现材料表面的均匀氟化处理，方法简单，适合工业化量产。