[发明专利]一种锂电电极材料表面固溶层材料的优化方法

说明书

本发明属于锂电材料技术领域，特别是一种以锂电正极或负极材料为基体，以力学及导电性能为依据选择固溶体成分，将此固溶体包覆于电极颗粒之上，此表面固溶体层可以提高锂离子电池循环性能从而大大提高电池使用寿命的一种锂电电极材料表面固溶层材料的优化方法。具体为：将基体材料与掺杂材料按特定比例混合，将所述混合物经过一系列工艺制成块体材料，测试块体材料力学性能与导电性能，以力学性能和导电性能为判定依据选出最优成分作为包覆材料，将最优成分包覆于基体颗粒表层后即获得改性电极基体材料。本发明将力学和导电性能测试作为选择依据，相对传统试错法提高了效率，并且更加具有针对性，所制备材料循环性能较原基体材料有了大幅度提高。

技术领域

本发明应用在锂电电极材料领域，以力学性能与导电性能为选择依据，应用于锂电电极材料的表面包覆层成分选择的优化方法。

背景技术

锂离子电池被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、照相机等移动电子设备。近年来，电动汽车以及储能装置的发展极大地拓宽了锂离子电池的应用领域，同时，对锂离子电池的能量密度和使用寿命也提出了更高的要求。在锂离子电池中，电极材料约占整体重量的30-40%，此外，电极材料的循环稳定性也是决定锂离子电池使用寿命的重要原因之一，因而电极材料是决定电池能量密度和使用寿命的最关键因素。在各类电极材料中，锂过渡金属氧化物材料具有高电极电位、良好的电子和离子导电性、以及锂可逆脱嵌过程中良好的结构稳定性等优点，因此，该类化合物是优良的锂离子电池备选电极材料。

能量密度和循环寿命是表征电极材料电化学性能的重要参数，有趣的是，它们都和电极材料的力学稳定性密切相关。在充放电过程中，电极材料的点阵常数随着锂离子的脱出(或嵌入)会发生变化，如LiCoO₂的点阵常数变化达到3%，但应该注意对于脆性的电极材料来说，应变>0.1%即被认为是危险的。而对于给定的电极材料，其能量密度取决于可利用的锂离子分数，当过量锂离子脱出时，材料的力学性能变差，更容易发生断裂，因此，能量密度和力学稳定性相关。即使没有过充发生，电极材料在充放电循环过程中，点阵常数随着锂离子的脱出或嵌入发生周期性变化，因而产生周期性应力，在较小的应力下，电极也会发生断裂、粉化，从而造成电极颗粒接触不良，使电池不再适合进一步循环。因此，电极材料的循环寿命强烈依赖于力学稳定性。

研究证明，表面修饰可有效提高电极材料的循环性能，这通常归因于修饰层能提高表面力学强度，防止裂纹产生。但是，由于缺乏定量的实验数据，目前表面修饰都是采用试错法，其工艺路线如图1，也就是直接在颗粒表面制备固溶体层，然后组装电池，检测电化学性能。优化过程非常复杂，且存在包覆不均匀，包覆层成分难以控制，需要大量工作。尤其对电极材料在充放电过程中的力学-电化学性能耦合作用，即对电极颗粒应力衍变导致的裂纹和颗粒表面修饰强化的机理研究更少。

发明内容

本发明从电极材料表面包覆层的力学和导电性能入手，根据表面修饰层是电极材料固溶体的事实，设计与制备电极材料的固溶体，以力学性能和导电性能作为选择依据，相对传统试错法大大提高了效率。

本发明的技术方案如下：一种锂电电极材料表面固溶层材料的优化方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：按照设计成分，将基体材料与掺杂材料在一定范围内按照不同的比例分别进行混合；

步骤2：将不同比例的混合材料分别制成块体材料；

步骤3：分别测试步骤2得到的块体材料的力学性能，以力学性能判定依据选出不同成分的块体材料中筛选出最优组分，将最优材料包覆于电极材料表面获得改性电极材料。

进一步，所述步骤1中比例为4:0 ~ 4:1，限制在掺杂材料的固溶度内。