[发明专利]锂电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了锂电池正极材料及其制备方法和应用。其中，锂电池正极材料包括：钴酸锂内核、锂‑硼‑卤素‑铝掺杂层以及铝包覆层。其中，锂‑硼‑卤素‑铝掺杂层形成在钴酸锂内核的至少一部分表面，铝包覆层形成在锂‑硼‑卤素‑铝掺杂层的至少一部分表面。该锂电池正极材料具有优秀的可逆容量和高压抗衰减性能，将其应用于锂电池中，可显著提高锂电池的容量、倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体而言，本发明涉及锂电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

正极材料是制约动力电池能量密度的关键要素之一。目前常见的锂离子动力电池正极材料主要有尖晶石结构的锰酸锂(LiMn₂O₄)，橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO₄)和层状结构的钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)。锰酸锂是尖晶石型嵌理化合物的典型代表，可逆容量在120mAh/g左右，具有安全性好、无环境污染、工作电压高、成本低廉等特点，其三维隧道结构更有利于锂离子的嵌入和脱出，适合用作锂离子动力电池的正极材料，但其低容量限制了广泛推广。橄榄石结构的磷酸铁锂，具有安全性高、成本较低的优点，但存在放电电压低(3.3V)、振实密度低等不足，因此此材料在能量密度要求不高的电动大巴和插电式混合动力市场占有率较高，但是在能量密度要求更高的电动轿车市场处于劣势。层状镍酸锂比容量高，但是制备时易生成非化学计量比的产物，结构稳定性和热稳定性差。上述几种正极材料的缺点都制约了自身在电动汽车电池的进一步应用，因此寻找新的正极材料成了研究的重点。

钴酸锂(LiCoO₂，LCO)是最早商业化的锂离子电池正极材料。由于其具有很高的材料密度和电极压实密度，使用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度，钴酸锂是目前消费电子市场应用最广泛的正极材料。随着消费电子产品对锂离子电池续航时间和体积大小的要求不断提高，迫切需要进一步提升电池体积能量密度。在消费电子领域对电池体积能量密度的要求比质量能量密度的要求更高，由于钴酸锂的合成工艺成熟，可以获得几近完美的形貌，从而保证钴酸锂极片制作是可以得到更大的压实，使得电池获得更高的体积能量密度。因此，目前在高端消费电子领域，钴酸锂依然是一种不可替代的正极材料。

然而，常规的钴酸锂由于能带的顶部相重合，导致Li_1-xCoO₂在深度放电时，在O2-和2P能带引入大量孔洞，当脱锂量x0.5时会促使其晶格中脱出氧，使其晶体结构具有不稳定性，所以钴酸锂的实际可逆比容量一般在140mA·h/g左右。提高钴酸锂电池的充电电压可以提高电池的体积能量密度，其充电截止电压已经从1991年最早商业化时的4.20V逐渐提升至4.45V(vs Li⁺/Li)，体积能量密度已经超过700W·h/L。目前，开发下一代更高电压的钴酸锂材料已经成为科研界及企业共同关注的热点。随着充电电压的提高，钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性下降、安全性能下降等问题。因而，现有的锂电池正极材料仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出锂电池正极材料及其制备方法和应用。该锂电池正极材料具有优秀的可逆容量和高压抗衰减性能，将其应用于锂电池中，可显著提高锂电池的容量、倍率性能和循环性能。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种锂电池正极材料。根据本发明的实施例，该锂电池正极材料包括：钴酸锂内核；锂-硼-卤素-铝掺杂层，所述锂-硼-卤素-铝掺杂层形成在所述钴酸锂内核的至少一部分表面；铝包覆层，所述铝包覆层形成在所述锂-硼-卤素-铝掺杂层的至少一部分表面。