[发明专利]一种多元富锂锰基正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种多元富锂锰基正极材料及其制备方法与应用，所述多元富锂锰基正极材料的化学式表达为Li₂Mn_aM_xM`<sub>y</sub>M``<sub>z</sub>O<sub>2</sub>B，其中0.5≤a＜1，0<x<1，0<y<1且0<z<1；B为卤族元素；M为+4价金属；M`为+5价金属；M``为+6价金属，Mn为+2价。本发明提供的多元富锂锰基正极材料通过同时引入多种高价阳离子，并引入卤族元素，降低了Mn的价态以及O的反应活性，从而提高了所得锂离子电池正极材料的稳定性，所得锂离子电池正极材料具有高电压、可逆比容量高的优点。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种电池正极材料及其制备方法与应用，尤其涉及一种多元富锂锰基正极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着新能源汽车的大力发展，锂离子电池产业已经进入快速发展阶段。影响锂离子电池性能的关键材料主要有正极材料、负极材料、电解液等。其中，正极材料是目前限制电池性能的主要因素。

锂离子电池实现规模化应用，需同时满足低成本、安全、不受自然资源限制、高能量密度等一系列要求。目前研究的锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、尖晶石结构的锰酸锂、镍钴酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂。但是，LiCoO₂成本高，且Co³⁺有毒，材料在过充时结构不稳定；LiNiO₂的合成条件苛刻，部分锂位被镍位占据，有序度低，可逆性差；LiMnO₂在高温下的热稳定性差；尖晶石结构的LiMn₂O₄在循环过程中会发生相转变而导致容量损失，对于二元材料LiNi_1-xCo_xO₂(0<x<1)和三元材料LiNi_1-xCo_xMn_yO₂(0<x<1,0<y<1)来说，虽然其综合了几种材料的优点，但其容量均难以达到200mAh/g，不能满足电动汽车高比能量的要求。

富锂锰基正极材料的高比容量(200-300mAh/g)和工作电压(＞4.5V)使其具有高的能量密度，而且Mn元素比例提高的同时降低了Co的含量，从而降低了材料的成本，对环境友好。因此，富锂锰基正极材料成为满足动力汽车用锂离子电池的理想之选。

CN 108615875 A公开了一种富锂锰基正极材料及其制备方法，改性基体为富锂锰基正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂，包覆物质为一种磷酸盐。在对富锂锰基正极材料包覆过程中进行表面处理，通过后续的煅烧过程得到均匀表面包覆和表面具有尖晶石结构的富锂锰基正极材料。该方法通过表面包覆克服材料循环稳定性差以及惰性物质包覆造成材料放电比容量损失和倍率性能差的缺点。但该方法需要对富锂锰基正极材料进行包覆处理，操作条件较为苛刻。

CN 109879332 A公开了一种富锂锰基正极材料前驱体及其制备方法，所述富锂锰基正极材料前驱体的通式为Mn_xM_y(OH)₂/C，其中M为Ni和/或Co，且0<x<1，0<y<1，x+y＝1；所述富锂锰基正极材料前驱体内部掺有导电剂C。该结构通过前驱体颗粒包覆导电剂，依靠导电剂的良好导电率提高了锂离子扩散速率和电子传输速率。但并未对富锂锰基正极材料的稳定性进行改良。