[发明专利]一种铷元素掺杂高镍三元正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铷元素掺杂高镍三元正极材料及其制备方法和应用，所述铷元素掺杂高镍三元正极材料的化学式为Li_1‑xRb_xNi_yCo_zMn_1‑y‑zO₂，其中y≥0.6，0＜x＜0.2，0＜z＜0.4。所述铷元素掺杂高镍三元正极材料的制备方法，包括如下步骤：配取Li源,Rb源；Mn源,Co源,Ni源，混合获得混合物，向混合物中加入硝酸直至混合物溶解获得混合液，反应，加入螯合剂，获得凝胶，干燥获得前驱体，前驱体第一次研磨后在氧气气氛下进行预烧结，冷却第二次研磨，然后进行高温烧结，即得铷元素掺杂高镍三元正极材料。本发明所述的铷元素掺杂高镍三元正极材料颗粒均一、具有微纳尺寸、阳离子混排程度低，用于锂离子电池，放电比容量高，倍率性能高，循环性能好，使用寿命长。

技术领域

本发明涉及一种铷元素掺杂高镍三元正极材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池正极材料应用领域。

背景技术

如今，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度，良好的循环性以及不俗的环境友好性等优点而广泛应用于便携式电子设备，并向电动汽车应用领域发展。但是随着便捷式电子电器的功能增强和电动汽车的发展，锂离子电池的能量密度、稳定性和倍率性能日益不能满足大家的需要。因此，研发高能量密度、高循环稳定性和高倍率性能的锂离子电池对缓解能源短缺，改善环境，发展国民经济和保障国家安全具有重大意义。

锂离子电池的正极材料是制约电池容量和循环稳定性的关键因素，它决定了锂离子电池的特性和价格，是锂离子电池技术的核心和关键，也是制约锂离子电池大规模推广应用的关键。如今常用的锂离子电池正极材料为LiCoO₂、LiMnO₂/LiMn₂O₄、LiMePO₄、LiNi_xCo_yAl_zO₂)(NCA)、LiNi_xCo_yMn_zO₂(NCM)。其中高镍三元NCM由于其比容量高、循环寿命长、安全性能好、价格低廉等优点被视为最佳的正极材料。

目前商品化的锂离子电池用正极材料的主流选择是三元材料NCM。但是由于钴是价格昂贵的稀缺资源，限制了钴在正极材料制备中的大量使用，同时镍含量的提高可以增加三元正极材料的比容量，所以高镍三元正极材料成为了必然的选择。但是高镍三元材料中存在氧缺陷和锂镍混排现象，且该材料对环境湿度敏感，对合成条件要求较高，制备难度较大。此外三元正极材料的首圈充放电效率较低，限制了比容量的进一步提高。所以高镍三元正极材料在生产化应用上仍有进步的空间，还有问题亟待解决。

目前，一种提高三元正极材料NCM电化学性能的主流方法是进行元素掺杂。常用的掺杂离子为几种单价和多价掺杂阳离子，如Ag⁺、Na⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Ba²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Ga³⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺等，以及一些非金属离子(硼，氟)。例如，Mg和Zn是最常见的+2价掺杂元素，掺杂入NCM之后会使材料比容量略有下降，但是循环寿命会大大提高；Cr是较为常见的+3价掺杂元素，研究发现适量的掺杂可以抑制阳离子混排现象，从而提高比容量和循环寿命；Ti是+4价元素，不参与材料充放电中的价态变化，但是可以通过稳定材料结构改善材料循环性能。

但是以上所述的元素掺杂改性手段都是对层内多面体结构元素掺杂，即对Ni、Co、Mn位置的掺杂，且掺杂效果不理想，只能使电池性能稍有改善或者甚至要牺牲某种性能才能使另一种性能有所提高，对生产实践应用很难有较大帮助。