[发明专利]一种正极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明属于电池领域，公开了一种正极材料及其制备方法和锂离子电池。所述正极材料的制备方法包括以下步骤：(1)混合：将富锂锰基正极材料与有机金属骨架材料进行混合得到混合物；所述富锂锰基正极材料的分子式为xLi₂MnO₃·(1‑x)LiMO₂，M为Ni、Co和Mn中的至少一种，0<x<1；所述有机金属骨架材料的质量占富锂锰基正极材料质量的1％～15％；(2)煅烧：将所述混合物在空气气氛中煅烧，以使得所述有机金属骨架材料氧化分解。本发明提供的方法可在富锂锰基正极材料表面形成连续均匀包覆层，该包覆层中的活性物质不仅不会阻碍锂离子的传输，而且还能够大大减少与锂离子电池中的电解液发生的副反应，能够使得到的锂离子电池具有非常好的综合电化学性能，特别是循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种正极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

在最近几年，锂离子电池(LIBs)被应用于各行各业，包括3C类电子产品、各种电动交通工具(HEVs、PHEVs和EVs等)以及储能系统(ESSs)，这使得高能量密度、快充、安全性好、低成本的锂离子电池正极材料如LiCoO₂、层状LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂和富锂材料(1-xLiMO₂·xLi₂MnO₃，M为Ni、Co或Mn)得到了广泛研究。其中，富锂材料倍受关注，它具有比其它正极材料更高的比容量(>250mAh/g)和工作电压，最有希望突破电池比能量的要求，且大量使用廉价的锰元素，相比LiCoO₂和层状LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂具有更低的成本和更好的安全性。但是，富锂材料为了发挥材料的优异性能需在高于4.5V(vs.Li+/Li)的高电压下工作，材料的晶格氧损失还有电解液和电极材料副反应使材料的稳定性受到严峻考验。

表面包覆是改善富锂材料稳定性的一种有效方法，用来包覆富锂材料的有Al₂O₃、SiO₂、TiO₂等，采用表面包覆的方法能有效阻止材料和电解液发生副反应，抑制材料晶格的破坏，使材料的循环稳定性得到明显改善。溶胶凝胶和共沉淀作为常见的包覆方法具有简单易行的特点，但存在包覆物不纯、团聚和包覆层不均匀的问题。而现有的一些新型的方法，如化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)，能够形成连续致密的包覆层，但是所形成的包覆层通常是无孔且不导电的，这样的包覆层很难让离子以及电子通过，不利于材料的电化学性能。

CN108336316A公开了一种富锂正极材料的制备方法，该方法包括：(1)将N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇和去离子水混合，再加入金属盐和1,3,5-苯三甲酸得到混合溶液；(2)将富锂材料加入到混合溶液中，放入真空搅拌反应釜中反应，得到悬浮液；(3)将悬浮液离心，收集固相，经洗涤、干燥获得金属有机骨架化合物包覆的富锂正极材料；(4)将金属有机骨架化合物包覆的富锂正极材料在250～700℃下进行烧结，得到富锂正极材料。然而，采用该方法没有解决MOFs材料在富锂材料表面包覆的技术问题，其包覆效果完全是MOFs材料和富锂材料在溶液中的混合，其包覆的效果无法保证。另外，在CN108336316A公开的方法中，MOFs包覆的富锂材料是在惰性气氛中热处理，由于MOFs材料中含有有机配体，故在热处理过程中很可能产生碳，造成富锂材料中高价态的金属被还原，产物的一致性难以保障，并且该方法制备工艺较复杂，不适合大规模的生产。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术采用表面包覆金属氧化物的方法制备正极材料存在包覆物不纯、团聚和包覆层不均匀的问题，或者是离子以及电子难以通过所形成的包覆层的缺陷，而提供一种新的正极材料及其制备方法和锂离子电池。