[发明专利]一种离子导体和异质结构共同改性的锂离子电池正极材料及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种离子导体和异质结构共同改性的锂离子电池正极材料及制备方法和应用，所述改性锂离子电池正极材料由离子导体包覆和异质结构共同作用；所述改性锂离子电池正极材料包括离子导体包覆层、异质结构层和材料本体，所述离子导体包覆层由聚阴离子化合物、掺杂元素盐和材料表面残锂反应而成，所述异质结构层的相为尖晶石相或/和岩盐相，位于包覆层和材料本体之间。其制备方法为：将锂离子电池正极材料粉末与聚阴离子盐、掺杂元素盐和弱酸等化合物在溶液中混合均匀，蒸干后经过烧结获得产品。本发明所得产品用于储能设备中。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料及制备方法和应用，特别涉及一种离子导体和异质结构共同改性的锂离子电池正极材料及制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池是目前最具发展前景的化学储能电源，被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车(EV)和智能电网等研发领域。

正极材料是锂离子电池的关键材料，对电池的性能起决定性作用。其主要有层状钴酸锂、层状镍酸锂、尖晶石型锰酸锂、层状三元材料、层状富锂锰基正极材料等几类。在实际应用过程研究发现锂离子电池正极材料存在首圈效率低、循环稳定性和电压衰减明显等问题，尤其是高镍三元正极材料和富锂锰基正极材料，主要因素是正极材料在高电压情况下晶体结构发生不可逆转变，同时正极材料表面残锂和电解液发生副反应。而包覆是有效改善其电化学性能的方法之一，包覆能有效抑制抑制正极材料表面与电解液间的副反应，提高材料的热稳定性能和循环稳定性。常用于表面包覆的材料主要有碳、氧化铝、氟化铝、氧化镁、二氧化钛等。

如申请公开号为CN109616620A的中国专利，公开了氧化镁包覆改性三元材料的制备方法，其是用氧化镁溶于乙酸中，再将其加入乙醇溶液并与高镍三元材料混合蒸干，并经过烧结得到包覆材料，所获得包覆材料具有较优的电化学性能。申请公开号为CN105938899A的中国专利，公开了LiAlO₂快离子导体包覆改性锂电池正极材料的方法，其先将氢氧化铝和正极材料球磨，再溶解到含锂溶液中，并经过蒸干烧结得到包覆材料，获得包覆材料具有较优的电化学性能。上述方法没有有效的消除材料表面残锂，对电极表面副反应的抑制作用有限；另外这种包覆层可以缓解电解液侵蚀带来的副反应，但是不能起到抑制材料相转变，即不能解决材料内部结构退化的问题，所以应用上具有一定局限性。

发明内容

本发明旨在提供一种离子导体和异质结构共同改性的锂离子电池正极材料及制备方法和应用，材料表面包覆有离子导体层，近表层有由于掺杂或酸化处理诱导的异质结构，即同时具有包覆相、异质结构相、材料本体相三相结构，另外，这种方法可以有效消除材料表面残锂和抑制电解液的侵蚀，并通过异质结构抑制相转变从而稳定晶体结构，可进一步提高锂离子电池循环性能、倍率性能等。这种改性方法工艺简单，易于产业化生产，本发明方案如下。

本发明中一种离子导体和异质结构共同改性的锂离子电池正极材料，改性锂离子电池正极材料由离子导体包覆和异质结构共同作用；所述改性锂离子电池正极材料包括离子导体包覆层、异质结构层和材料本体，所述离子导体包覆层由聚阴离子盐、掺杂元素盐和材料表面残锂反应而成，所述异质结构层的相为尖晶石相或/和岩盐相，位于包覆层和材料本体之间。

本发明中一种离子导体和异质结构共同改性的锂离子电池正极材料，所述离子导体的化学式为Li-A-DO_x，其中A为化合价为+2、+3、+4、+5、+6价元素，优选的，为Co、Mn、Ni、Fe、Al、Zr、Zn、Mg、Ca、Sr、Ba、Ru、Cu、Nb中的一种或多种；D为P、B、Si、S、V、Ti中的一种或多种；x≥1。

所述离子导体是由掺杂元素A盐和聚阴离子D化合物在溶液中混合并与材料表面残锂反应，经过烧结得到的；所述聚阴离子D化合物提供离子导体化学式中的D。在工业上应用时，离子导体层是由掺杂元素A盐和聚阴离子D盐在溶液中混合并与材料表面残锂反应，经过烧结得到的。

本发明中的异质结构为尖晶石相和岩盐相的一种或多种。其是由元素A掺杂进入晶格或酸处理诱导产生的。