[发明专利]一种具有变斜率浓度梯度掺杂结构的锂离子电池正极材料及其制备

说明书

本发明公开了具有变斜率浓度梯度掺杂结构的锂离子电池正极材料及其合成方法，为了解决常规掺杂方法带来的容量和倍率性能的衰减等问题，本发明通过具有变斜率浓度梯度结构的元素掺杂获得从材料颗粒中心到表面掺杂元素的浓度持续变化的锂离子电池正极材料，且变化的速率由内到外逐渐加快，因此在材料内部掺杂元素的浓度变化缓慢，在材料表面掺杂元素的浓度迅速变化，掺杂元素浓度的变化主要集中在表面层，本发明方法在不引入副作用的前提下同时提升了材料内部结构和表面的稳定性，降低充放电循环过程中材料的相变、体积变化、过渡金属元素溶解等问题，大幅提升材料的循环寿命和安全性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料及其制造工艺技术领域，具体涉及一种具有变斜率浓度梯度掺杂结构的锂离子电池正极材料及其合成方法。

背景技术

随着科技进步和人类社会的快速发展，人们对能源的需求不断增长。然而作为主要能源的煤、石油、天然气等化石燃料被大量开采和使用，使得这些不可再生的化石能源日渐枯竭，能源危机问题日趋严峻。能源短缺和环境恶化这两大问题已经成为现代人类社会面临的最严峻挑战，严重制约经济发展和社会进步。

锂离子电池是目前世界公认综合性能最好的电池体系，被称为二十一世纪的新能源。凭借工作电压和能量密度高、循环寿命长、应用温度范围宽、无污染、安全性能好等独特优势，锂离子电池可广泛应用在移动通讯与数码产品、电动工具、新能源汽车、可再生能源储能、智能电网调峰添谷等领域，还可在航空、航天、军事等领域发挥重要作用，是国内外大力发展的新型绿色化学电源。

当前，研制高性能锂离子电池的关键在于正极材料。正极材料是锂离子电池中锂离子的唯一来源，其性能影响着电池的工作电压、比容量以及循环稳定性，是影响电池性能的关键，而且正极材料的成本占电池材料成本的大部分，因此针对正极材料的研究具有重大意义。理想的锂离子电池正极材料应具备高容量、高输出电位、好的倍率性能和循环稳定性、低成本和环境友好等特点。

大量研究证明通过元素掺杂对锂离子电池正极材料进行改性能够大幅提升其结构稳定性，降低充放电循环过程中的相变、体积变化、过渡金属元素溶解等问题，从而提升其循环寿命和安全性，但是常规的元素掺杂通常会导致材料容量和倍率的衰退等问题，限制了其大规模应用进程。由于导致锂离子电池正极材料性能迅速衰减的原因主要是集中在材料表面层的系列界面副反应，因此针对材料内部和表面层进行不同程度的掺杂改性修饰能够充分发挥元素掺杂的优势，同时最大程度的避免元素掺杂带来的问题，获得具有最佳性能的锂离子电池正极材料。

发明内容

有鉴于此，本发明通过具有变斜率浓度梯度结构的元素掺杂改善锂离子电池正极材料的性能，提供了一种具有变斜率浓度梯度掺杂结构的锂离子电池正极材料及其合成方法。为了解决常规掺杂方法带来的容量和倍率性能的衰减等问题，本发明通过具有变斜率浓度梯度结构的元素掺杂获得从材料颗粒中心到表面掺杂元素的浓度持续变化的锂离子电池正极材料，且变化的速率由内到外逐渐加快，因此在材料内部掺杂元素的浓度变化缓慢，在材料表面掺杂元素的浓度迅速变化，掺杂元素浓度的变化主要集中在表面层，本发明方法在不引入副作用的前提下同时提升了材料内部结构和表面的稳定性，降低充放电循环过程中材料的相变、体积变化、过渡金属元素溶解等问题，大幅提升材料的循环寿命和安全性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有变斜率浓度梯度掺杂结构的锂离子电池正极材料，所述锂离子电池正极材料为球形颗粒，内部的掺杂元素具有变斜率浓度梯度的组成结构，且从核心到表面掺杂元素的浓度逐渐变化，变化的速率由内到外逐渐加快。

优选的，所述锂离子电池正极材料含有一种或多种掺杂元素，所述掺杂元素的浓度由内核核心到外壳表面逐渐升高或者逐渐降低。