[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其制备和应用，所述锂离子电池正极材料为富锂材料Li_1+xMn₂O₄，其中x的范围为0≤x≤0.5，Li元素摩尔浓度随着颗粒粒径从外到内呈梯度下降。在锂离子电池化成过程中，Li_1+xMn₂O₄材料能够将X部分渗入的锂离子全部脱出，脱出的锂离子主要用于负极表面形成SEI膜，从而降低了正极材料的容量损失，从而使锂离子电池具有更高的首次库仑效率。

技术领域：

本发明属于锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池正极材料、制备方法及锂离子电池。

背景技术：

锂离子电池具有比能量高，自放电系数小，效率好，循环寿命长等优势，被广泛用于便携式电源设备应用和动力/混合动力电池应用和研发中。正负极材料的容量匹配是锂离子电池设计过程中的关键参数之一，直接影响锂离子电池的首圈效率和循环寿命。通常负极材料的设计容量比正极多10～15％，主要是因为化成过程中，负极界面生成含锂化合物的SEI膜，同时部分嵌入负极的锂不能再脱出、参与电化学反应，消耗的这些锂离子要么来自于正极要么来自于电解液。正极损失锂后，导致电池容量下降、库伦效率降低、循环性能变差，所以引入新的锂源补充化成时消耗的锂离子，可以改善锂离子电池的性能。这种引入新的锂源的方法就是预锂化，一般分为负极预锂化和正极预锂化两种。

目前研究比较多的是负极预锂化工艺，即采用锂粉或者锂箔等工艺补充负极在首次充电过程中不可逆容量的损失。如公开号CN104538591A的中国专利公开的方法中，其通过在金属锂表面包覆或者包覆上锂离子阻隔层，调控负极材料的嵌锂速度及SEI膜成膜速度，提高负极库伦效率。金属锂对空气和水分十分敏感，而且易燃，所以这种工艺对设备环境要求较高，增加了制作成本。

正极预锂化是另一种提高电池首次效率和循环性能的预锂化方法。正极预嵌锂添加剂的方法虽然有效但是会明显降低电池的能量密度。富锂相材料和普通材料混合的方法也有明显的效果，同时不会明显降低能量密度，但是转化而成的材料由于结构差异稳定性不够好。公开号CN107768657A中公开的方法中采用核壳结构中壳部分来实现预嵌锂，在首圈效率和循环性能方面有明显提高，但是仍不能完全避免能量密度的下降，同时壳层异相材料的引入对内核主体材料结构会产生不利影响。对于均相材料而言，由于颗粒不同粒径位置的锂离子脱出能力和速度不同很难实现内外层相预嵌锂作用后的完全均相，导致材料在后期的充放电过程中不稳定。锂离子浓度从外往内梯度下降的富锂相材料在预嵌锂时外层富足的锂优先快速脱出，在保持材料结构完整均一的同时保证了富余锂的完全脱出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池正极材料、制备方法及锂离子电池，使用本发明所述锂离子电池正极材料的锂离子电池具有较高的首圈库伦效率和良好的循环性能。

本发明提供一种锂离子电池正极材料，所示的锂离子电池正极材料具有锂离子浓度梯度分布的特征，其本体结构为LiM_yMn_2-yO₄，梯度结构为Li_1+xM_yMn_2-yO₄。

在电池化成过程中，梯度材料富锂相Li_1+xM_yMn_2-yO₄材料可以提供富余的锂离子补充负极对锂离子的消耗，同时形成更加稳定的LiM_yMn_2-yO₄。Li元素摩尔浓度随着颗粒粒径从外到内逐渐下降，其范围从颗粒粒径从外到内由1.5至1.001逐渐变化。

本发明提供一种锂离子电池正极材料制备方法，包括以下步骤：