[发明专利]一种双包覆富锂锰基材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种双包覆富锂锰基材料及其制备方法和应用，材料内部为富锂锰基正极材料，其内包覆层为Li₃PO₄，外包覆层为PEDOT:PSS，所述的富锂锰基正极材料为xLi₂MnO₃·(1‑x)LiMO₂，其中M为可替代元素，替代元素是过渡金属元素Ni、Co、Mn中的至少一种，0x1；其中Li₃PO₄的质量为富锂锰基正极材料的1％～3％，PEDOT:PSS的质量为富锂锰基正极材料的1％～3％。与现有技术相比，本发明能有效抑制富锂锰基材料与电解液的副反应发生，抑制晶体结构转变，同时提高其循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种以PEDOT:PSS为外包覆、Li₃PO₄为内包覆的双包覆富锂锰基材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着科学技术与社会经济的不断发展，能源短缺和环境污染等问题不断加剧，开发安全、无污染的绿色清洁能源以及高效的能量转换储存体系成为实现可持续发展的当务之急。近几十年来，锂离子电池作为一种关键的电化学储能器件，具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能高的特点广泛应用于日常便携式电子设备、电动汽车、航天器件及军事装备上。锂离子电池性能主要受正极材料、负极材料、电解质影响，而正极材料是制约锂离子电池发展的关键因素。

锂离子电池正极材料目前广泛应用的包括LiCoO₂、LiFePO₄、LiMn₂O₄以及三元镍钴锰正极材料(简称NCM)以及三元镍钴铝材料(NCA)，其放电容量较低大约在120mAh/g～200mAh/g，难以满足电动汽车对长续航里程的需求，故开发具有更高能量密度的正极材料成为近几年的研究热点。富锂锰基正极材料具有高放电比容量(＞250mAh/g)、成本低、安全性高、对环境友好的特点，极有可能成为下一代主流的锂离子电池正极材料[刘祥欢,庄卫东,彭敏,王振尧,卢世刚.锂离子电池富锂锰基正极材料的研究进展[J].稀有金属,017,41(05):534-552.]。然而，富锂锰基正极材料在充放电循环过程中由于表面氧的释放易发生层状结构向尖晶石结构的不可逆转变，且与电解液易发生反应生成惰性物质影响离子电子迁移，从而导致电压和容量的衰减[Naoaki Yabuuchi,Kazuhiro Yoshii,SeungTaekMyung.Detailed Studies of a High-Capacity Electrode Material for RechargeableBatteries,Li₂MnO₃-LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂[J].Journal of the American ChemicalSociety,2011,133(12):4404.]。

目前，为了解决富锂的循环性能和倍率性能较差的问题，常用的改性方法是表面包覆。它可以避免电解液与富锂的直接接触，减少电极材料与电解液的副反应发生，降低充放电过程中的转移电阻，抑制表面氧的释放和材料结构转变，从而提高材料的循环性能和倍率性能，是目前使用最广泛、研究最多的改性方法。选取合适的包覆材料对提高富锂锰基正极材料的电化学性能至关重要，杨凯等人采取GdPO₄[杨凯，一种磷酸盐包覆富锂锰基正极材料的改性方法，专利申请号：CN201811512321.4]作为离子包覆层提高了循环性能，循环100圈后放电比容量为185.7mAh/g，而初始放电比容量为285.3mAh/g,容量保持率仅为65％，循环稳定性仍较低。胡彦杰等人采取石墨烯[胡彦杰，一种富锂锰基/石墨烯复合正极材料、制备方法及其应用，专利申请号：CN201910454623.9]作为电子包覆层，循环40圈后放电比容量为255mAh/g，容量保持率为85％，而在5C大电流密度下放电比容量仅为20mAh/g。虽均取得了一定效果，但是其循环性能和倍率性能仍然有较大的提升空间。