[发明专利]一种钠掺杂的富锂锰基正极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于锂电池正极材料领域，其涉及一种富锂锰基正极材料，具体涉及一种钠掺杂的富锂锰基正极材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着科技的发展，对电池的性能提出了越来越高的要求。我国要求在2020年航天电源能量要达到300Wh/kg的要求。在新能源电动汽车用动力电池上，我国和日本等制定了在2020年电池比能量要高于200Wh/kg的目标。要完成这些电池指标，电池比容量指标高于250 mAh/g以上的正极材料开发成为当务之急。

在现有的正极材料中，层状结构正极材料依然是主流。第一代层状材料LiCoO₂的电化学稳定性好，循环性能优异，但容量仅为其理论容量的50% (~140mAh/g)，且存在着资源和安全性等重大问题；LiNiO₂比容量高，但合成困难，并存在较大的安全隐患；LiMnO₂热稳定性良好且价格便宜，但是充放电过程中的明显相变导致其循环稳定性很差。多元层状正极材料，如LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂综合了现有层状结构材料的优势，但是材料中的高的Co、Ni含量仍然存在成本、资源等问题。

在新型研发的锂离子电池正极材料中，层状富锂锰基正极材料xLi₂MnO₃•(1-x)LiMO₂，比能量超过250 mAh/g，成为下一代正极材料而引起广泛的关注。该材料除了在比容量上有明显优势外，在安全性、生产成本上也优于现有正极材料。

虽然富锂锰基正极材料具有很高的放电比容量，但该类材料在实际应用中还存在很多问题：（1）首次库仑效率较低；（2）结构稳定性差；（3）放电时电压平台逐渐降低；（4）倍率性能差。

因此，需要对这种材料进行精细结构控制和改性，把材料的颗粒控制在纳米级，方便进行二次喷雾造粒以适应工业应用需求。

目前，关于锂离子电池正极富锂锰基材料的异元素掺杂改性研究很多，但主要在过渡金属元素位置，而在锂位的掺杂并不多见，掺杂效果的论述也鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种钠掺杂的富锂锰基正极材料及其制备方法和用途，该正极材料能够解决富锂锰基正极材料的上述性能缺陷问题，通过钠掺杂实现在钠在锂位的均匀掺杂，同时保持颗粒粒径小于500nm，改善了富锂锰基正极材料的电化学性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种钠掺杂的富锂锰基正极材料，该正极材料包含：钠掺杂的富锂锰基颗粒。

其中，所述的钠掺杂的富锂锰基颗粒的化学结构式为Li_1+nNa_mNi_xCo_yMn_(1-x-y-n-m)O₂，其中，0≤n+m≤1，0≤x≤1，0≤y≤1。

在所述的钠掺杂的富锂锰基颗粒的化学结构式中，0≤n+m≤0.5；所述的钠掺杂的富锂锰基颗粒的粒径为100~500nm。

所述的钠掺杂的富锂锰基颗粒的一次颗粒的形状呈立体六角形。

所述的钠掺杂的富锂锰基颗粒的二次颗粒的形状呈球形。

本发明还提供了一种根据所述的钠掺杂的富锂锰基正极材料的制备方法，该方法包含：

步骤1：将锂盐、钠盐、镍盐、钴盐和锰盐混合，加入挥发性有机溶剂，研磨均匀，干燥；

步骤2：将步骤1得到的混合物磨成粉末，与钾盐混合均匀，在400℃~500℃下保温，再在850~900℃下保温；

步骤3：待保温结束后，将剩余的钾盐冲洗掉，得到所述的钠掺杂的富锂锰基正极材料。

在步骤1中，所述的锂盐、钠盐、镍盐、钴盐和锰盐分别为各自的碳酸盐；所述的锂盐、钠盐、镍盐、钴盐和锰盐的添加量之比为所述的钠掺杂的富锂锰基颗粒的化学结构式中的锂、钠、镍、钴和锰的原子比

在步骤1中，所述的挥发性有机溶剂为酒精。

在步骤1中，所述的研磨为球磨，采用行星式球磨机，球磨的转速为200 rpm ~300 rpm，球磨时间为10~12h；在步骤1中，所述的干燥的温度为30~60℃。

在步骤2中，所述的钾盐为氯化钾；所述的氯化钾与混合物的质量比为2:1~4:1。

本发明还提供了一种根据所述的钠掺杂的富锂锰基正极材料的用途，该正极材料用于制备锂离子电池的正极。