[发明专利]一种Mg-Zr共掺杂高镍三元材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Mg‑Zr共掺杂高镍三元材料及其制备方法和应用。通过将除Li源外的各原料混合于水得到前驱体；其中，Ni：Co：(Mn+Mg+Zr)的摩尔比为8:1:1；随后将其与Li源混合于乙醇中，搅拌过滤干燥后在氧气氛围下，不同温度区间内加热制得该Mg‑Zr共掺杂高镍三元材料；其中，Li：(Ni+Co+Mn+Mg+Zr)的摩尔比为1.05:1。本发明制备方法简单易行，掺入的Mg离子能够进入Li位，进一步稳定材料结构，减少Li/Ni混排，而Zr离子的掺入则进入了Ni位，进而减少了材料晶格氧气析出问题，基于Mg、Zr共掺杂的协同作用致使高镍材料用作锂离子电池正极材料时，材料Li/Ni混排和氧析出问题得到解决，从而有效地改善了电池的循环稳定性，在锂离子电池领域具有较大的应用前景。

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种Mg-Zr共掺杂高镍三元材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、环境友好及无记忆相应等优点而被备受关注。尽管锂离子电池已经在便携式数码电子产品领域取得了瞩目成就，但其能量密度还需要继续提高以满足在新能源汽车中的应用。高镍三元材料由于其可逆容量高(～4.3V，200mAh/g)、成本低而被视为一种理想的高能量密度锂离子电池正极材料。然而，高达80％的镍含量也会带来一系列问题，例如Ni²⁺的离子半径与Li⁺的半径接近，在实际循环过程中容易发生Ni占据Li位，造成Ni/Li混排问题，因此电池容量衰减。此外，高镍三元材料在4.1V左右会发生H2-H3的相转变，其中伴随着晶格氧气析出，会引起电解液氧化，及材料从层状变成尖晶石及岩盐结构的转变，引发材料循环稳定性降低等问题。

发明内容

针对高镍三元材料在实际应用中存在的Ni/Li离子混排现象，材料本身晶格氧气析出的问题，本发明的目的是为了提供一种能够解决高镍三元材料氧析出和Li/Ni离子混排的Mg-Zr共掺杂制备方法，具体通过以下技术方案实现：

一种Mg-Zr共掺杂高镍三元材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将Ni源、Co源、Mn源、Mg源和Zr源混合于水中得到预混液，在pH＝11～12的条件下搅拌1～3h，静置3～5min，过滤、干燥，得到前驱体；其中，Ni：Co：(Mn+Mg+Zr)的摩尔比为8:1:1；

步骤二、将所述前驱体与Li源混合于乙醇中，搅拌4～6h，过滤、干燥，得到中间产物；将中间产物置于氧气氛围下，在400～500℃的条件下加热3～7h，然后在730～770℃的条件下加热13～17h，制得所述Mg-Zr共掺杂高镍三元材料；其中，Li：(Ni+Co+Mn+Mg+Zr)的摩尔比为1.05:1。

优选的，所述Li源、所述Ni源、所述Mn源、所述Co源、所述Mg源和所述Zr源的纯度均大于98％。

优选的，所述Ni源、所述Mn源、所述Co源、所述Mg源和所述Zr源均为盐酸盐、硫酸盐和硝酸盐中的一种；所述Li源为氢氧化锂。

优选的，上述步骤一中，采用氢氧化钠溶液和氨水的混合溶液将所述预混液的pH调节至11～12。

优选的，所述混合溶液中，氢氧化钠溶液的浓度为2mol/L，氨水的浓度为0.5mol/L。

优选的，上述步骤一和步骤二中的干燥温度为50～70℃，干燥时间为11～13h。

根据上述制备方法制得的Mg-Zr共掺杂高镍三元材料，其分子式为LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1-x-yMg_xZr_yO₂，x和y均为大于0的自然数，且x+y不大于0.05，制得的Mg-Zr共掺杂高镍三元材料在锂离子电池中具有较大的应用前景。