[发明专利]一种三层核壳结构正极材料，制备方法及锂离子电池

说明书

本发明涉及一种三层核壳结构正极材料，其包含三层结构：三元正极材料内核、包覆该三元正极材料内核的氧化铝层、和包覆氧化铝层的快离子导体层。本发明还包括三层核壳结构正极材料的制备方法。由于三层核壳结构正极材料外层包覆的快离子导体具有超强的离子电导性，因而能提高Al₂O₃包覆正极材料整体的离子电导率，减少电能损耗，提高电池的循环性能。而制备过程中高温煅烧，使氧化铝层与该三元正极材料内核形成Li‑Al‑Co‑O共熔体，可进一步加强材料的离子传导性，增加电导率和复合材料的微观稳定性，三层核壳结构能减少电解液对三元正极材料内核的腐蚀，提高电池安全性。

技术领域

本发明涉电池正极材料及制备方法，以及包含该正极材料的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、对坏境无污染等特点，已经被广泛应用于便携式电子设备和动力汽车上。因此锂离子电池及其相关材料成为目前研究的热点。目前商业锂离子电池最广泛使用的正极材料是钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、层状镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料等。钴酸锂是最早实现工业化生产的，但是由于钴资源价格昂贵，导致材料成本高，且对环境有一定的影响。锰酸锂材料虽然价格低廉，但是其容易发生Jahn-Teller效应，导致电池容量低，循环稳定性差。磷酸铁锂的安全性能好，但是其理论容量低，无法满足高能量密度的要求。镍钴锰三元材料LiNi_aCo_bMn_cO₂(其中0a,b,c1，a+b+c＝1)充分利用了Ni、Co、Mn三种材料的协同作用，综合了LiNiO₂、LiCoO₂、LiMnO₂三种锂离子电池正极材料的优点，其性能优于单一组分正极材料，被认为是目前最有发展前景的锂离子电池正极材料。而镍钴铝三元材料LiNi_aCo_bAl_cO₂(0.7≤a≤0.9，0.05≤b≤0.2,a+b+c＝1)也具有与镍钴锰三元材料相似的电化学性能。

虽然镍钴锰三元材料LiNi_aCo_bMn_cO₂[也可表示为Li(NiCoMn)₁O₂]或镍钴铝三元材料具有上述多种优点，但也存在着严重缺陷，例如充放电过程中存在阳离子混排效应，材料的微观结构发生变化，导致其首次充放电过程中首次库伦效率低、循环稳定性差；锂离子扩散系数和电子导电率低，材料的倍率性能差；充放电过程中，三元材料与电解液存在严重的副反应，循环性能差、库伦效率低；以及材料容易出现高温胀气现象，存在严重的安全隐患。解决上述问题的主要手段有原子掺杂、表面包覆、与其它种类活性材料混用等手段。目前对三元正极材料的包覆常采用氧化铝包覆，如中国专利申请CN 103618064B、CN106784837A，这些方法都是先获得Al(OH)₃包覆的三元材料前驱体，再与乙酸锂或碳酸锂共混研磨，最后高温煅烧得到。但由于氧化铝是一种离子/电子的绝缘体，因此在三元正极材料表面包覆氧化铝对锂离子的传输具有一定的阻碍作用，不利于高倍率下的充放电过程，具体表现为在高倍率下电池的放电容量衰减较快、容量保持率低。其次，粉末共混研磨不利于材质的均一性。

鉴于以上原因，本发明的目的是对表面包覆氧化铝的三元正极材料的微观结构及制备方法做出改进，提高材料整体的离子电导率，减少氧化铝对锂离子传输的阻碍作用，从而放缓高倍率下电池放电容量的衰减速度，提高电池的容量保持率。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种三层核壳结构正极材料，是在表面包覆氧化铝的三元正极材料的外部再包覆一层快离子导体，用以提高材料整体的离子电导率，放缓高倍率下电池放电容量的衰减速度，提高电池的循环性能和安全性。本发明还提供制备所述三层核壳结构正极材料的方法和应用。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：