[发明专利]镍钴过渡金属氧化物锂离子电池用正极材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种镍钴过渡金属氧化物锂离子电池用正极材料及制备方法，该材料为一种纳米尖晶石相包覆的三元材料核壳结构，包括：核体：镍钴锰酸锂Li(Ni_xCo_yMn_1‑x‑y)‑O₂(0.6≤x≤0.92；0.02≤y≤0.25)或者镍钴铝酸锂Li(Ni_xCo_yAl_1‑x‑y)O₂(0.6≤x≤0.92；0.02≤y≤0.25)；壳体：5～40纳米厚度尖晶石相的过渡金属氧化物材料。制备步骤分为两步：步骤(1)将可溶性镍盐，钴盐和铝或锰盐以镍钴铝元素摩尔比Ni²⁺：Co²⁺：Al³⁺或Mn²⁺＝(0.6～0.92):(0.02～0.25):(0.01～0.38)的比例溶于蒸馏水，通过共沉淀化学反应制备三元材料前驱体，继而高温煅烧获得镍钴铝酸锂或者镍钴锰酸锂材料；步骤(2)采用调控氧气气氛中进行高温煅烧工艺条件生成壳体，形成尖晶石壳体包覆层。其制备工艺简单，易于批量化生产，制备过程环保，材料经济实用，性能优异，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，特别涉及一种镍钴过渡金属氧化物锂离子电池用正极材料及制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池因具有高比能量、高功率密度、质量轻便、易于批量化生产等优点，从而得到人们广泛的研究与应用，并已深度渗入消费类电子产品、动力电池产品、储能产品等领域。现今，研究较多的锂离子电池正极材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元等种类。其中，磷酸铁锂性能安全但能量密度较低；钴酸锂能量密度高但安全性能较低（R. Yazami, et al. The Electrochemical Society, vol. 2003, 2003,p. 317.）；因此，基于高能量密度、高安全性能以及价格成本等指标方面的综合考量，镍钴过渡金属氧化物材料已迅速成为锂离子电池正极材料的发展应用趋势，迅速成为研究者们关注的焦点，有望在动力电池产品领域、医疗设备领域、储能领域等得到广泛应用（Shoichiro Watanabe, et al. Journal of power sources, vol. 247，2014，p. 412-422）。

然而，镍钴过渡金属氧化物材料尤其具有高克容量的高镍过渡金属氧化物材料循环寿命较短，该性能极大的制约着高镍过渡金属氧化物材料的商业化道路。对此，研究者们通过深入剖析其失效机制，针对失效原因制定解决方案。目前，镍钴过渡金属氧化物材料的主要失效原因包括：（1）随着充放电过程的不断进行，材料由新鲜态的层状结构逐渐发生相转变过程，其表面逐渐向无电化学活性产物的类NiO岩盐相生成（Shoichiro Watanabe，etal. Journal of power sources, vol. 196，2011，p. 6906-6910），岩盐相的生成极快的加速了材料的失活，导致电池极化增大及容量的衰减；（2）一次颗粒随着锂离子嵌入及脱出过程导致碎裂问题，颗粒的破碎直接使得电芯容量损失；（3）随着充放电过程的发生，材料颗粒表面的SEI膜不断修复重生，尤其在颗粒破碎表面，电解液与之接触，生成新的SEI膜，造成电极的膜阻抗增大，从而导致电池极化加重，容量衰减（Shoichiro Watanabe，et al.Journal of power sources，vol. 258，2014，p. 210-217）。

为了延长镍钴过渡金属氧化物材料的循环寿命，目前科研方向主要围绕以下方面进行：材料表面无机氧化物包覆技术（如Al₂O₃、SiO₂包覆）、体相掺杂技术（如Mg、Zr、F等元素掺杂）、新型电解液技术形成稳定的SEI膜等几个方向。上述技术方案均可一定程度上提升材料的循环稳定性，但是部分改性原料成本偏高，且改性效果并不显著，而距实际批量应用尚有一段距离。

因此，如何提供一种制备简单、效果显著、长循环寿命的镍钴过渡金属氧化物锂离子电池用正极材料及制备方法，是该技术领域科研人员当前急待解决的难题之一。