[发明专利]一种分步梯次掺杂三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种分步梯次掺杂三元正极材料及其制备方法。该制备方法，包括以下步骤：将三元材料前躯体、第一锂源和掺杂剂a充分混合，在750～950℃烧结2～8h，得到锂化产物；将锂化产物、第二锂源和掺杂剂b充分混合，在750～950℃烧结2～8h，得到分步梯次掺杂三元正极材料。本发明采用分步配锂和分步掺杂结合的方式，能够充分发挥掺杂剂对晶胞和一次颗粒生长的促进作用以及掺杂元素稳定晶体结构的作用，避免效果不同的掺杂剂同时后产生加入的拮抗作用，从而制备出性能及形貌均较优的单晶三元正极材料，该方法简单、易于控制、生产成本低、有利于降低能耗；本发明中所得分步梯次掺杂三元正极材料为单晶结构，结构稳定、电化学性能优异。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种分步梯次掺杂三元正极材料及其制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池行业中，提升三元材料结构稳定性的共识是通过离子掺杂抑制充放电过程中的相变，进而提升材料的循环性能，主要包括锂位、过渡金属阳离子位和氧位的阴阳离子掺杂及复合掺杂等。

现有技术中，一般是将掺杂剂、前驱体和锂源通过高混机一次混合均匀后高温烧结，使掺杂剂进入三元材料晶格中。然而，不同种类的掺杂剂或掺杂元素对三元正极材料的作用不同。具体来说，某些掺杂剂或掺杂元素的添加可能会对三元正极材料的晶胞体积和一次颗粒大小产生促进作用，某些掺杂剂或掺杂元素的添加可能会对三元正极材料的晶胞体积和一次颗粒大小产生抑制作用。当将这两种添加剂同时加入，高温时多种掺杂剂共同进入晶胞，无法充分发挥两种掺杂剂的作用，从而影响材料的形貌和晶体结构稳定性，最终导致电池循环性能变差甚至循环到后期发生容量跳水的现象。

因此，根据掺杂剂的不同性质，对不同掺杂剂在烧结过程中的加入时间节点进行控制，以得到性能和形貌更优的正极材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种分步梯次掺杂三元正极材料及其制备方法，解决现有技术中现有的掺杂工艺中将掺杂剂共同加入，无法充分发挥其作用的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的第一方面提供了一种分步梯次掺杂三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：将三元材料前躯体、第一锂源和掺杂剂a充分混合，在750～950℃烧结2～8h，得到锂化产物；将锂化产物、第二锂源和掺杂剂b充分混合，在750～950℃烧结2～8h，得到分步梯次掺杂三元正极材料；三元材料前躯体为Ni_xCo_yMn_1-x-y(OH)₂，其中x≥1/2，y≥1/10；掺杂剂a所含掺杂元素包含Rh、Mo、Pd中的一种或多种；掺杂剂b所含掺杂元素包含La、Sr、Mg中的一种或多种。

本发明的第二方面提供了一种分步梯次掺杂三元正极材料，该分步梯次掺杂三元正极材料通过本发明第一方面提供的分步梯次掺杂三元正极材料的制备方法得到。

本发明的第三方面提供了一种锂离子电池，包括正极、负极、电解液和隔膜，正极包括由本发明第一方面提供的分步梯次掺杂三元正极材料的制备方法得到的分步梯次掺杂三元正极材料。

本发明提供的分步梯次掺杂制备三元正极材料的制备方法的机理如下：

单晶三元材料为二次颗粒团聚体融合成为一次颗粒的三元材料，此种材料由于循环过程中，不发生二次颗粒的破碎，内阻增加小，副反应少，因而循环性能优于二次颗粒团聚体三元材料。

Rh、Mo、Pd等具有促进作用的元素掺杂后，其能促进一次颗粒长大，促进一次颗粒相互融合形成单晶三元材料；La、Sr、Mg等具有抑制作用的元素掺杂后，其会阻止一次颗粒长大，抑制一次颗粒进行融合，阻碍单晶形貌的形成，然而将其掺入三元材料中可以稳定脱嵌锂过程中的结构变化，抑制相变，从而提升三元材料的循环性能。