[发明专利]基于锆基MOF材料的氧化锆包覆锂离子电池三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于锆基MOF材料的氧化锆包覆富锂三元正极材料及其制备方法，首先采用碳酸盐沉淀法合成出球形结构的锂离子电池三元正极材料，然后在其表面包覆“生长”一层比表面积大、孔隙率高的锆基MOF材料，并对其进行高温烧结，去除锆基MOF材料中的有机成分，形成同样具备比表面积大、孔隙率高的氧化锆包覆层，该氧化锆包覆层与普通氧化锆颗粒包覆层相比，MOF材料分解过程中形成的少量多孔碳结构在各个氧化锆颗粒之间形成桥联作用，形成电子传递通道，既可以缓解氧化锆本身不具备电化学活性使材料的克容量损失的现象，同时能稳定复合材料结构，且有效减少活性物质和电解液之间的副反应，有效改善锂离子电池三元正极材料的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池三元正极材料制造技术领域，具体涉及一种基于锆基MOF材料的氧化锆包覆锂离子电池三元正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于其具备高能量密度、高电压和长循环寿命等优点，被广泛应用，而将其用于商业化的汽车工业则需要进一步提高能量密度和其安全性，迎接这一挑战的关键因素是寻找新的高容量电极材料，特别是正极材料。目前用于实际应用的主要有层状的锂钴氧化物系列LiCoO₂、层状的锂镍氧化物系列LiNiO₂及尖晶石状的锂锰氧化物系列LiMn₂O₄。然而上述体系都存在着显著的不足，严重影响了它们的实际应用。因此需要寻找兼顾大容量，高安全性，高电导率和高热稳定性等优点的锂离子电池新材料，或者通过不同改性方法（包覆、元素掺杂等）实现对材料性能的改善要求，如包覆常规氧化锆，作用在于降低活性物质与电解液之间的副反应，从而提升电池正极材料的化学性能。

MOF材料是一种由有机配体与金属离子(或簇)桥联而成的具有空间拓扑结构的多孔晶体材料。近年来,由于MOF材料具有高的有效比表面积、较大的孔隙率和可调的孔结构等特点被广泛关注和应用。锆基MOF材料是以锆为金属中心与有机配体通过自组装而形成的一种高稳定性MOF材料，对其在空气气氛中进行高温热处理，可以有效去除内部的有机部分，形成保持MOF材料高比表面积、高孔隙率等特征的氧化锆材料。

发明内容

本发明提供一种基于锆基MOF材料的氧化锆包覆锂离子电池三元正极材料的制备方法，在锂离子电池三元正极材料表面包覆锆基MOF材料，再经过高温烧结除去有机部分，MOF材料的骨架结构会有一部分转变成多孔碳，连接氧化锆颗粒，获得氧化锆包覆的锂离子电池三元正极材料，这种材料其表面氧化锆包覆层可以很好的保持MOF材料比表面积大、孔隙度且孔径可调节等特征，提高材料结构稳定性且导电通道，有效降低普通氧化锆不具备电化学性能产生的容量损失；另外作为表面包覆材料，可以有效降低电解液和活性物质之间的副反应，从而有效地提高了锂离子电池三元正极材料的循环性能。

本发明通过以下技术方案实现：

基于锆基MOF材料的氧化锆包覆锂离子电池三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）包覆：配制N,N-二甲基甲酰胺、冰乙酸和盐酸的混合溶剂，其三种物质的体积比为DMF:AA:HCl=6:4:0.5~1.0；称取摩尔比为0.8~1.2:3的金属锆盐和对苯二甲酸溶解在混合溶剂中，超声30~60min使其充分溶解，得到混合溶液；按混合溶液每100ml称取1.5-2g的锂离子电池三元正极材料，加入到混合溶液中搅拌均匀，放入高压反应釜中，在120~160℃恒温干燥箱中反应3~5h，冷却至室温，洗涤、干燥，得到由锆基MOF材料包覆的锂离子电池三元正极材料；

（2）烧结：将步骤（1）所得材料在空气中高温下烧结，热处理的升温程序是：室温下以3~5℃/min升温到700~900℃，保温3~5h，烧结目的在于使MOF材料的有机部分完全分解，后随炉冷却至室温，得到最终产物即氧化锆包覆三元正极材料。

本发明进一步优先，金属锆盐是氯化锆或硫酸锆。