[发明专利]一种正极材料及锂离子电池

说明书

本申请涉及一种正极材料及锂离子电池。具体地，该正极材料包括基体和包覆层，该基体包含体相掺杂金属元素M的钴酸锂，包覆层具有掺杂有金属元素Me的尖晶石相结构，该尖晶石相结构能够形成三维锂离子通道，增加锂离子的扩散路径，且引入更多的电化学反应活性位，从而使得应用该正极材料的锂离子电池在‑10℃下以电流6C放电时，相较于电流为0.5C时，容量保持率高达99％以上。同时，该锂离子电池还兼顾了高温稳定性，在高温大电流充放电环境下具有优异的循环性能。

技术领域

本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种正极材料及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高，自放电低，无记忆效应等突出优点已经成为移动能源的主要解决方案，且已经广泛应用在手机、平板、电动汽车、无人机等多个领域。随着锂离子电池应用领域的推广，其不仅要求锂离子电池在常温下具有优良的性能，还对其在高温和低温环境下的表现提出了新的要求。例如，随着用于航拍的无人机日渐火热，其要求锂离子电池在相对极端的温度环境下能够进行快速地充放电且具有长的使用寿命。

发明内容

钴酸锂(LiCoO₂)是锂离子电池常用的正极材料。然而，采用现有钴酸锂材料的锂离子电池在低温大倍率充放电的过程中表现较差，难以满足人们对锂离子电池的需求。例如，采用现有钴酸锂材料制备的锂离子电池在低温大倍率充放电过程中(例如，放电电流为6C以上)，其容量保持率会出现严重恶化，这是因为在低温快速充放电的环境下，正极材料的界面活性不高，参与反应的锂离子难以在界面上进行快速的嵌入脱出，导致瞬间极化急剧增大，电压下降明显，很快达到电压截至下限。

此外，获得能够同时在低温和高温环境下均能表现出优异性能的锂离子电池仍是本领域的难点之一。在现有技术中，有些锂离子电池在低温充放电环境下表现出优异的性能，但是在高温充放电过程中性能出现严重恶化；而有些则相反。因此，获得兼顾低温和高温表现的锂离子电池是非常令人期待的。

为了弥补现有技术的不足和缺陷，本申请对锂离子电池的正极材料展开了研究，着重对钴酸锂的结构和组分进行了改进，旨在获得在低温放电环境下具有出色的倍率性能且还兼顾高温放电环境下的电化学表现的正极材料。

一方面，本申请实施例提供了一种正极材料，其包括基体，所述基体包含体相掺杂金属元素M的钴酸锂；包覆层，其设置在所述基体的表面上；其中M包含Mg、Ti、Zr或Al中的至少一种，其中所述包覆层具有掺杂有金属元素Me的尖晶石相结构，Me包含Ni、Mn、Al、Mg、Ti、Zr、Y、Mo、W、Na、Cu、Cr、Zn或Fe中的至少一种，且其中所述包覆层包括Me、O、Li和Co元素。相较于常规的具有层状二维通道钴酸锂正极材料而言，本申请实施例所提供的正极材料的表面能够形成金属掺杂的尖晶石相结构。首先，该尖晶石相结构具有三维的脱嵌锂通道，因此能够显著增加锂离子的扩散路径，改善钴酸锂材料的倍率性能。其次，该尖晶石相结构还能为电化学反应提供更多的活性位点，有效地增加能够进行锂离子脱嵌反应的活性比表面积。本申请实施例所提供的正极材料可进行锂离子脱嵌反应的活性比表面积大于或等于3.6cm²/g。

在本申请的一个实施例中，Me至少包括两种金属元素。

在本申请的一个实施例中，M与Me不完全相同。

在本申请的一个实施例中，Me中任一元素的摩尔含量相对于Co的摩尔百分比为0.1％-2％。

在本申请的一个实施例中，M中每一者的含量相对于Co的摩尔百分比为0.1％-1％。

在本申请的一个实施例中，所述正极材料的中值粒径D₅₀约为3-11μm。

本申请的另一个实施例提供了利用上述正极材料的锂离子电池。