[发明专利]一种改性硼掺杂富锂锰基正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种改性硼掺杂富锂锰基正极材料，并进一步公开其制备方法，以及用于制备锂离子电池的应用。本发明通过将含硼化合物作为硼源溶解于沉淀剂溶液中，再采用共沉淀的方法即可得到硼掺杂的镍钴锰化合物前驱体，最后经过高温烧结即可得到硼掺杂富锂锰基正极材料。本发明所述制备方法利用含硼化合物作为硼源，利用硼酸根具有较高的沉淀系数，且水溶液呈碱性，能很好的和沉淀剂共存，使得整个体系仅采用简单的共沉淀方法，不仅可以使硼在所述正极材料的表面掺杂，同时在材料内部也均匀掺杂硼，使制得正极材料的性能更为稳定，使用寿命更长，同时显著提高正极材料的容量、首效、倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种改性硼掺杂富锂锰基正极材料，并进一步公开其制备方法，以及用于制备锂离子电池的应用。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池即充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间往复移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：而充电时，Li⁺则从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，使负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池自上世纪九十年代问世以来，经过二十余年的发展，已经走进千家万户。锂离子电池因其能量密度高、环境相容性好、循环寿命长、自放电率低的优势，已发展成为最常用的储能设备，广泛的应用在便携式电子设备、电动汽车上、航空航天、发电基站、交通工具等领域。而随着便携式电子产品、电动汽车的普及，人们对锂离子电池的性能有了更高的要求，高比能、高功率、高能量密度、高安全性、长寿命、低成本是未来锂离子电池的发展方向。传统的锂离子电池正极材料比容量均较低(<200mAh/g)，是限制电池比能量的主要因素，因此，为了发展高比能电池，就迫切需要寻找具有更高比容量的正极材料。

富锂材料由于具有高的比容量(一般超过250mAh/g)和工作电压(4.8V)，逐渐引起了人们的广泛关注，被认为是最有可能成为下一代高性能锂离子电池的正极材料。但是，已知制备的富锂材料却存在着首次库伦效率低、倍率和循环性能较差，以及电压衰减严重等问题，从而限制了锂离子电池的性能，也制约了其商业化的应用。

现有技术中，用于改善富锂材料电化学性能的主要方法是包覆和掺杂(Adv.Mater.2012，24，1192-1196；Adv.Funct.Mater.2014，1-7)。最常见的包覆方法是采用Al(OH)₃、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂等惰性材料对富锂材料进行表面包覆，如Electrochimica Acta50(2005)4784-4791，Journal of Power Sources 159(2006)1334-1339，CN101764210A、CN103441252A中记载的方案，这些包覆材料通常可以起到保护富锂材料表面结构、阻止材料与电解液接触进而发生副反应的作用，在一定程度上提高了富锂材料的首次充放电效率和循环性能，以及安全性能。而最常见的掺杂方法是采用过渡金属阳离子对富锂材料进行体相掺杂，例如中国专利CN101694876A、CN102881891A以及CN102881894A等文献公开的富锂正极材料。而中国专利CN103199229A中则公开了采用PO₄^3-、MoO₄^2-、SO₄^2-、AlO₂^-等聚阴离子掺杂的富锂材料，该材料具有首次效率高、比容量高、循环性能好等特点。又如，北京大学夏定国等人(Adv.Funct.Mater.2014，1-7)通过在氧位掺杂了硼的聚阴离子(BO₄^3-)可以有效延长富锂材料的循环性能。