[发明专利]一种钾离子掺杂富锂正极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种钾离子掺杂富锂正极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用。该制备方法为：将碳酸钠和氨水配置成混合溶液1，将镍源、钴源和锰源配制成混合溶液2，再将混合溶液1加入到持续搅拌的混合溶液2中，反应后过滤、洗涤、干燥得前驱体，再将前驱体与锂源、钾源混合，研磨，煅烧得到钾离子掺杂的富锂正极材料。本发明所得材料为Li_1.2‑xK_xNi_0.2Co_0.08Mn_0.52O₂，用于锂离子电池正极时，具有优异的电化学性能，在100mAg^‑1的电流密度下循环200圈，仍能保持262 mAhg^‑1的高容量，并且在1000mAg^‑1的大电流密度下循环200圈，可逆容量仍然能够达到153 mAhg^‑1。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种钾离子掺杂富锂正极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用。

背景技术

当前，环境问题的加剧使人们迫切希望开发高效、清洁和可循环利用的新型能源。可充电锂离子电池作为绿色能源之一，受到了人们的广泛关注。设计、合成具有高容量、良好的倍率性能、长循环寿命和廉价的锂电池正极材料是锂离子电池重要的发展方向之一。富锂材料是最有前途的锂离子电池正极材料之一，其具有高理论容量(～280mAh g^-1)、高电压平台(>3.5V)、价格低廉、环境友好等特点，受到人们的广泛青睐。

富锂材料中锂离子呈有序排列形成锂层，在锂层中掺杂与锂离子性质相近的钾离子，由于钾离子半径比锂离子大，在掺杂钾离子后锂层之间的间距变大，更有利于锂离子脱出和嵌入，同时，钾离子掺杂进入后能够稳定材料的结构，因而能够提高材料的电化学性能。本发明人工设计、合成了钾离子掺杂的富锂正极材料以提高材料的电化学性能。

有研究表明，掺杂钠离子能够增大锂离子材料中锂层的间距从而提高材料的倍率性能。Wei He等人利用聚合物热解法合成了钠离子掺杂的富锂正极材料，并将其应用于锂离子电池正极材料，在8C的倍率下有139mAhg^-1的可逆容量，循环100圈后容量保持率为89％。

本发明通过简单的共沉淀工艺，成功合成了钾离子掺杂的富锂正极材料。当用于锂离子电池正极材料时，钾离子掺杂富锂正极材料具有很高的比容量和优异的循环性能，在100mA g^-1的电流密度下循环200圈，仍能保持262mA h g^-1的可逆容量。在1000mA g^-1的电流密度下循环200圈，仍有153mA h g^-1的可逆容量。本发明具有工艺简单、成本低、环境友好、效率高等优势，可以大规模工业应用。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明首要目的是提供一种钾离子掺杂富锂正极材料。

本发明另一目的是提供上述钾离子掺杂富锂正极材料的低成本、高效率、可大规模制备的方法。

本发明再一目的是提供上述钾离子掺杂富锂正极材料作为高性能锂离子电池正极材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种钾离子掺杂富锂正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳酸钠和氨水配置成混合溶液1，将镍源、钴源和锰源配制成混合溶液2，再将混合溶液1加入到持续搅拌的混合溶液2中，反应后过滤、洗涤、干燥得到碳酸盐前驱体；

(2)将碳酸盐前驱体与锂源、钾源混合，研磨，煅烧得到钾离子掺杂富锂正极材料，标记为Li_1.2-xK_xNi_0.2Co_0.08Mn_0.52O₂。