[发明专利]一种表面梯度结构的高镍正极材料及制备方法和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种表面梯度结构的高镍正极材料及其制备方法和用途，该高镍正极材料的化学通式为zLiNi_xM_1‑xO₂·(1‑z)LiNi_yM′_1‑yO₂，制备方法为首先通过机械融合法制备Ni_yM′_1‑yP′包覆Ni_xM_1‑xP的核壳前驱体，再添加锂盐同步烧结锂化制备具有表面梯度结构的高镍正极材料，该制备方法易于大规模应用。上述高镍正极材料制备简单，元素资源丰富，可大规模获取，是无污染的绿色材料，可以作为锂离子二次电池的正极材料。经过该方法合成的高镍正极材料具有良好的循环稳定性，容量保持率，倍率性能和热稳定性。本方法制备梯度核壳结构工艺简单，操作方便，效率高易于大规模应用。

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体涉及一种表面梯度结构的高镍正极材料及制备方法和锂离子电池。

背景技术

目前，锂离子电池已经在电动汽车工业领域产业化应用。但是，随着社会和科技的发展，市场和消费者对其的要求越来越高，比如锂离子电池能量密度不足的缺点一直困扰人们，电动汽车目前还无法满足每次充电可以行使1000公里以上的续驶里程要求，这在很大程度上是受到正极材料的限制。因此，迫切需要开发具有高比容量的正极材料。

在众多的正极材料研究中，高镍层状氧化物由于其高比容量和低成本的优点而成为最有潜力的正极材料。在高镍正极材料中，Ni^2+/3+和Ni^3+/4+的氧化还原活性对提供了材料的主要可逆容量，因此，通常通过提高材料中镍的含量来最大化可逆容量。但是，随着Ni含量的增加，材料能量密度攀升的同时也带来许多问题，如结构的不稳定性导致的容量衰减快、晶格氧的释放导致安全性能不佳等。通过对其进行改性可以缓解上述问题，从而加快锂离子电池在各方面的应用。

在众多改性策略中，设计具有浓度梯度的核壳结构已成为高镍材料实现高容量和高表面/界面稳定性的有效方法。由于合成的前驱体在二次烧结的过程中容易发生高浓度向低浓度的扩散，因此，核壳材料又被发展成为具有浓度梯度的正极材料。这样可以使其界面连接处更加紧密，改善界面稳定性能。

通过共沉淀和高温固相法合成得到的核壳正极材料制备过程较为复杂，工艺繁琐。并且，制备出全浓度梯度正极材料的整体镍含量很难达到高镍的成分要求，导致能量密度下降。除此，共沉淀方法制备核壳结构要求较高，容易引入杂质，造成核壳成分复杂。

现有技术中，国联汽车动力电池研究院有限责任公司的中国发明专利申请(申请公布号CN111092221A)公开了一种具有过渡金属元素浓度梯度的高镍三元材料制备方法及其所制备的材料，其前驱体核心化学组分为Ni_0.83Co_0.12Mn_0.05(OH)₂，壳层化学组分为Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3(OH)₂，前驱体核/壳质量比为10:1，最终前驱体平均化学组分为Ni_0.800Co_0.127Mn_0.073(OH)₂，实现了具有过渡金属元素浓度梯度的高镍三元正极材料。该方法通过控制焙烧过程工艺切入，虽然工艺简单，但Ni的含量限制了容量，并且含较多价格昂贵的金属元素Co。而如何通过控制核壳的成分、质量比和加工工艺，从而达到控制过渡金属的比例(高Ni低Co)，实现高容量、循环稳定性和显著的经济效益，成为了本研究的课题。

发明内容