[发明专利]快离子导体包覆的镍钴锰钽复合四元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种快离子导体包覆的镍钴锰钽复合四元正极材料及其制备方法，包括以下步骤：S1、取锂盐和钽盐进行粉化处理，然后混入镍钴锰三元正极材料前驱体，得到均质混合物；S2、将均质混合物进行分段煅烧，先在450‑550℃下煅烧，然后在680‑780℃煅烧，随炉冷却后即得。本发明制备得到的镍钴锰钽复合四元正极材料的表面包覆有一定厚度的LiTaO₃快离子包覆层，而且部分Ta进入体相中形成体相掺杂，本发明的制备方法能够帮助高镍材料在充放电过程中实现快速的锂离子脱嵌，且保持结构稳定，使高镍材料展现出了良好的倍率性能和循环稳定性，克服了传统离子掺杂和固相混合包覆方法所存在的不足。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，特别涉及一种快离子导体包覆的镍钴锰钽复合四元正极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着清洁能源的不断发展，锂离子电池作为新型二次能源装置，已被逐渐用于电动汽车领域，但是目前已有的锂离子电池仍然不能满足电动汽车长续航里程的要求。作为限制锂离子电池能量密度的重要器件，高性能正极材料的研发仍然至关重要。在众多的正极材料中，高镍型正极材料LiTMO₂(0.5Ni1,TM＝Ni，Co，Mn，Ti等)由于具有能量密度高、成本低、环境友好等优点受到了广泛关注。

然而，尽管高镍型正极材料可以提供可观的放电比容量，但是该类材料目前仍然存在着较为严重的问题，例如随着镍含量的增加，材料的循环稳定性和倍率性能会变差，进而导致对应的锂离子电池的循环寿命及功率密度下降。因此，提高高镍型正极材料的循环稳定性及倍率性能显得尤为重要。

目前改善高镍型正极材料性能最常见的方法包括表面包覆、离子掺杂以及特殊结构设计，但是这些方法各自存在一定的缺陷：1)表面包覆过程需要进行后处理，增加了操作成本；2)离子掺杂会使高镍型正极材料表面形成杂相，影响材料的放电比容量；3)特殊结构需要对合成参数进行精密的调控，影响终产物的一致性以及产率。因此，研发一种高性能易制备的高镍型正极材料显得尤为重要。

中国专利CN110993903A公开了一种钽改性高镍正极材料及其制备方法与应用，其技术方案大致为(实施例1)：将LiOH放入研钵中，加入乙醇进行湿磨，再加入高镍正极材料的前驱体和Ta₂O₅进行研磨至酒精蒸干，得到固体粉末；将固体粉末在氧气氛围下进行分段煅烧，现在500℃下煅烧5h，再升温至720℃煅烧15h，升温速率为2℃/min，降温速率为5℃/min，得到Ta改性的高镍正极材料，其中，LiOH·H₂O与高镍前驱体粉末的摩尔比为1.02:1，Ta掺杂质量为0.1-2％。该专利技术通过将高镍正极材料的前驱体与Ta₂O₅和氢氧化锂混合，再高温煅烧后，Ta掺杂进入高镍材料表层结构，实现Ta的掺杂，Ta掺杂能够稳定高镍正极材料结构，拓宽锂离子通道，从而提高材料电化学性能，尤其可以改善材料的循环性能。

通过分析该专利技术的技术原理可以得到：该专利技术是将五氧化二钽与高镍前驱体、LiOH按照一定的摩尔比例混合后直接高温烧结，利用高温下Ta₂O₅的分解和扩散，进入到高镍前驱体表面，使得前驱体材料在锂化过程(即由Ni_xCo_1-x(OH)₂变成LiNi_xCo_1-xO₂，一种从氢氧化物前驱体变成含锂的氧化物成品的过程)中，不但有锂的进入，还有钽的进入。在锂化过程结束后，成品材料表面存在一定的钽元素的晶格掺杂，即实现了表面掺杂。然而，由于五氧化二钽的分解温度较高，因此只能有少部分的钽盐可以进入到材料表面，且钽盐如果添加量过大，会导致部分无电化学活性的五氧化二钽附着在材料表面，影响电化学性能。同时，该专利技术属于表面掺杂技术，其依然存在使高镍正极材料表面形成杂相，影响材料的放电比容量的问题。

发明内容