[发明专利]一种浓度梯度镁掺杂富锂锰基氧化物正极材料的制备及其锂电池应用

说明书

一种浓度梯度镁掺杂富锂锰基氧化物的制备及其锂电池应用，氧化物化学式为Li_1.2‑2xMn_0.54Ni_0.13Co_0.13Mg_xO₂，0＜x≤0.07。具体制备包括：(1)首先按照比例配制锰盐、钴盐、镍盐过渡金属盐混合溶液，氨水和碳酸钠混合溶液作为络合剂和沉淀剂，利用蠕动泵将镁盐溶液注入过渡金属盐混合溶液，随后通过并流将过渡金属盐溶液、沉淀剂和络合剂加入反应釜中进行共沉淀反应，得到元素梯度分布的前驱体粉末；(2)前驱体粉末与锂盐混合煅烧，进而得到浓度梯度镁掺杂富锂锰基正极材料。将该梯度掺杂材料应用于锂电池领域，放电容量高且循环性能好。本发明制备方法成本低廉、工艺与现有设备相容性好，具备量化生产的潜力，显示出较高的产业化价值和广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂电池电极材料技术领域，具体涉及一种一种富锂锰基氧化物的浓度梯度镁掺杂改性及其应用于锂电池。

背景技术

随着各国相继出台燃油车禁售时间，作为其替代品的电动汽车的市场迅速增加；与此同时，锂离子电池作为电动汽车的动力来源越来越受重视。人们对电池的需求日益上升，同时，为了缓解里程焦虑以及降低成本，需要开发能量密度更高、性价比更好的电池。目前，正极材料限制了锂离子电池成本和性能进一步提升。已被成功商业化的正极主要包括聚阴离子型、尖晶石型和层状正极。其中层状正极如LiNi_aCo_b(Mn/Al)_cO₂(简写为NCM或NCA，a+b+c＝1)因容量高(180-200mAh g^-1)、成本低等优势占据着市场的主导地位，但其单体能量密度也达到了300Wh kg^-1的瓶颈。

富锂锰基氧化物，化学式为yLi₂MnO₃·zLiTMO₂(y+z＝1，TM代表一种或多种过渡金属如Ni、Co、Ti等)，具有超高的比容量(大于250mAh g^-1)、成本低廉以及环境友好等优势近些年来备受关注，被认为是达到500Wh kg^-1能量密度目标的优选正极。但富锂材料面临着结构相变、表面副反应等问题，导致容量和电压在循环中不断衰减，严重制约了其商业化进程。

通过掺杂、包覆和浓度梯度设计等策略可以有效缓解富锂材料相变和表面副反应从而提升循环性能。其中浓度梯度设计可以有效兼顾体相和表面的稳定性，并且可以缓解充放电过程中电极材料内部的应力，因此受到广泛关注。如CN112624207A号中国专利文献公开了一种全浓度梯度分布的富锂锰基锂正极材料及其制备方法与应用，通过共沉淀结合后续煅烧，制备了锰元素表面贫乏，镍元素表面富集的全浓度梯度富锂锰基正极材料。将梯度富锂正极用于锂离子电池取得了良好的电化学性能。CN107785551B号中国专利公开了一种相结构比例梯度渐变的富锂层状氧化物材料及制备方法，该方法同样通过过渡金属梯度变化制备了单斜结构单元和菱形结构单元比例梯度渐变的富锂层状氧化物材料。

综上所述，现有技术公布的球形梯度富锂锰基正极材料大多利用过渡金属浓度变化来提升性能，但随之而来的是电极材料表面仍含有较高的过渡金属比例(镍或者锰)，在充放电过程中过渡金属容易与电解液发生副反应，不利于进一步提高循环稳定性。

发明内容

本发明的目的是解决现有正极材料表面含有较高的过渡金属在充放电过程中容易与电解液发生副反应而影响循环稳定性的问题，提供一种浓度梯度镁掺杂的富锂锰基氧化物正极材料的制备方法，通过该方法得到的前驱体及正极材料球形度好、元素分布呈现表面过渡金属少且梯度变化的特点。

本发明采用如下技术方案：