[发明专利]一种高电压钴酸锂正极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明实施例提供了一种高电压钴酸锂正极材料，可用于制备电动车、智能车以及终端等用电设备的储能电池，包括锂位取代掺杂的钴酸锂，所述锂位取代掺杂的钴酸锂的通式为Li_1‑xMa_xCoO₂；其中，0＜x≤0.05，所述Ma为掺杂元素，Ma选自离子半径范围在68pm‑90pm，且离子价态≥1的元素中的一种或多种。该高电压钴酸锂正极材料通过对钴酸锂的锂位进行取代掺杂，从而缓解了钴酸锂在高电压下由于锂脱出引发的静电相互作用和钴溶出，提高了材料的结构和循环稳定性，使得高电压下材料具有高容量和良好的循环稳定性。本发明实施例还提供了一种高电压钴酸锂正极材料的制备方法和锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种高电压钴酸锂正极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因功率密度和能量密度高，体积小，寿命长等优点，被广泛应用于消费电子、移动终端、通信储能以及电动汽车等领域。锂离子电池主要由正极、负极、隔膜以及电解液组成，常用的锂离子电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂等。近两年，由于“互联网+”和移动终端(如智慧手机、无人机、家用机器人等)的飞速发展，人们对续航的需求越来越高，因此，作为移动终端的动力核心，高能量密度的锂离子电池成为消费者和设备厂商的核心诉求。然而目前对于手机电池而言，传统负极材料(石墨)的能量发挥已经达到极限，急需一种高能量密度的正极材料。

钴酸锂由于其优良的电性能和极高的振实密度(5.1g/cm³)，是追求高体积能量密度的智慧手机电池正极材料的不二选择。对于钴酸锂而言，充电电压升高，脱锂量增加，从而比容量和放电电压升高，提供更高的能量。所以随着人们对能量密度的需求不断增加，开发具有更高电压的钴酸锂成为材料厂商、电芯厂商以及手机制造厂商研发的重中之重。但是，随着充电电压升高会降低电池的安全特性、高温存储性能和循环性能。处于高电压下的钴酸锂，由于高脱锂态下的电荷不平衡，一方面会引发晶体结构(c轴)膨胀收缩，导致畸变晶胞和位错发生；另一方面，Co³⁺极易氧化成Co⁴⁺，与碳酸酯类电解液发生氧化还原反应，导致电解液分解和产气，该过程释放大量的热，严重时甚至会发生爆炸；另外，呈高氧化态的Co⁴⁺活性较高，会与电解液中的氢氟酸发生反应导致钴溶出，从而使钴酸锂发生不可逆的容量衰减，严重缩短了续航性能。

因此，亟待开发一种在高电压下具有良好循环性能、高容量以及能够缓冲或者释放充放电过程中晶格常数变化所带来的应力的锂离子电池正极材料。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种高电压钴酸锂正极材料，其在2.5V-4.8V工作电压下具有高比容量和良好的循环稳定性，以解决现有钴酸锂正极材料在高电压下，由于锂离子大量脱出导致材料结构发生畸变或位错，比容量和循环性能恶化的问题。

具体地，本发明实施例第一方面提供了一种高电压钴酸锂正极材料，所述高电压钴酸锂正极材料包括锂位取代掺杂的钴酸锂，所述锂位取代掺杂的钴酸锂的通式为Li_1-xMa_xCoO₂；

其中，0＜x≤0.05，所述Ma为掺杂元素，所述Ma选自离子半径范围在68pm-90pm，且离子价态≥1的元素中的一种或多种；

所述锂位取代掺杂的钴酸锂的晶格包括由钴离子层和氧离子层构成的主体板层以及分布在所述主体板层两侧的锂离子层，所述锂离子层还包括所述掺杂元素Ma，所述掺杂元素Ma用于取代所述锂离子层中的一锂离子。

其中，所述掺杂元素Ma包括Al、Mg、Ti、Sn、V、Cu、Zn、Zr、Cr、Mn、Ni、Co、Fe、Ga、Mo、Sb、W、Y和Nb中的一种或多种。