[发明专利]一种含过渡金属磷酸盐的核壳结构复合材料及其构筑方法和应用

说明书

本发明涉及一种含过渡金属磷酸盐的核壳结构复合材料及其构筑方法和应用，本发明的方法是在极性混合溶剂中可控地构筑过渡金属磷酸盐均匀壳层，采用本发明所述方案可实现磷酸盐在不同材料表面的均匀核壳结构的构筑，并可以控制其厚度(1nm～30nm)。本发明提供的含过渡金属磷酸盐的核壳结构复合材料，可有效减少正极活性材料与电解液之间的副反应，抑制充放电过程中晶格畸变以及金属溶出等情况的发生，使得正极材料较之处理前在电化学性能方面有了显著的提升。

技术领域

本发明属于锂电池正极材料的制备技术领域，具体涉及一种在极性混合溶剂中可控地构筑含过渡金属磷酸盐的核壳结构复合材料的方法及其应用。

背景技术

目前市场上应用的锂离子电池正极材料，普遍存在导电性和循环性能、倍率性能以及安全性差的情况，无法满足新能源汽车对材料的实际要求。诸多研究表明，电极材料在高电压下容量的快速衰减，主要是由电极材料与电解液间的副反应所致，所以设计一种能够抑制电极材料与电解液之间的副反应以及充放电过程中晶格畸变的结构是解决高电压下电极材料容量快速衰减问题的关键。

核壳结构复合材料作为一种特殊的新型功能材料，集纳米材料、多孔材料、晶体材料等功能材料的优势于一体，通过特殊的结构实现了很多复合功能或全新功能。近年来，大量的实验研究显示，对锂离子电池正极材料进行表面包覆处理即构筑核壳结构，通过核材料和壳材料功能的复合、互补，形成物理保护屏障，减少活性材料与电解液之间的副反应，抑制充放电过程中晶格畸变以及金属溶出等情况的发生，使得电极材料较之处理前电化学性能有了显著的提升。但常见的包覆方法，例如浸渍法、高能球磨法、共沉淀法等，实现的包覆都是不均匀、不连续的，厚度也无法控制，相应的，对材料的包覆和改性作用控制效果和实际贡献较差，所以开发出能实现均匀包覆的工艺则很重要。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种含过渡金属磷酸盐的核壳结构复合材料，所述壳均匀、厚度可控地包覆在核表面，对核材料形成了有效的物理保护屏障，成功减少了核材料与外界的反应(如减少了正极活性材料与电解液之间的副反应，抑制充放电过程中晶格畸变以及金属溶出等情况的发生)；且壳材料使用过渡金属磷酸盐，较之现有的非活性金属磷酸盐，可以更充分的发挥或提升核材料的性能(如使得正极材料较之处理前、或者现有处理方式处理后，在电化学性能方面有了显著的提升)。

本发明是通过如下技术方案实现所述技术效果的。

一种核壳结构复合材料，其壳材料为过渡金属磷酸盐M_x(PO₄)_y，其中，M为过渡金属，其价态为n+，则nx＝3y；壳材料的厚度为1～30nm，优选为1-25nm，如2nm、4nm、5nm、6nm、10nm、15nm、20nm。

所述复合材料中，所述壳均匀、厚度可控地包覆在核的表面。

所述结构式M_x(PO₄)_y中，若n等于1，则x＝3，y＝1；若n等于2，则x＝3，y＝2；若n等于3，则x＝y＝1；若n等于4，则x＝3，y＝4；若n等于5，则x＝3，y＝5；若n等于6，则x＝1，y＝2；以此类推。

所述过渡金属M可选自Ni、Co、Mn、Fe中的一种。相应地，所述M_x(PO₄)_y可为Ni₃(PO₄)₂、Co₃(PO₄)₂、Mn₃(PO₄)₂或FePO₄等。

所述复合材料中核材料为金属、氧化物、非金属碳材料、半导体、有机聚合物或正极材料中的一种或几种混合物，所述核材料的平均粒径为20nm～2.0μm。