[发明专利]碳包覆的镍锰二元无钴正极材料、其制备方法及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种碳包覆的镍锰二元无钴正极材料、其制备方法及锂离子电池。上述制备方法包括：使离子置换基体、石墨烯和溶剂进行溶剂热反应，离子置换基体采用通式MO_n或M(OH)_n，得到含有氢氧化物/石墨烯复合材料的溶液，氢氧化物的K_sp为(1×10^‑40)～(1×10^‑11)，其中，M选自第IIA族、第IIIA族、第IVA族、第IIIB族、第IVB族、第VIB族、第VIIB族或第VIII族，n为2～4；使镍锰二元无钴正极材料与含有氢氧化物/石墨烯复合材料的溶液进行离子交换，得到碳包覆的镍锰二元无钴正极材料。采用上述制备方法能够在镍锰二元无钴正极材料表面形成一层致密且稳定的碳包覆层。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料制备技术领域，具体而言，涉及一种碳包覆的镍锰二元无钴正极材料、其制备方法及锂离子电池。

背景技术

近年来，在众多的储能器件中，锂离子电池由于具有高能量密度、高电压、长循环寿命的优势而成为最受欢迎的能源。其中，高镍层状正极材料(LiNi_xCo_yM_1-x-yO₂，x＞0.5，M＝Mn、Al)由于其高放电容量(200～220mAh/g)高能量密度(800Wh/Kg)和低成本原因被认为具有竞争力的三元正极材料之一。然而，仍然存在如下问题亟待解决：(1)Li⁺/Ni²⁺混排现象的存在会造成正极材料结构不稳定、表面副反应增多等；(2)由于Ni³⁺的不稳定性造成残碱偏高，进而导致水含量超标，电池循环过程产气严重，影响电池的安全性能；(3)活性材料与电解液之间的副反应也是影响高镍三元材料的循环性能。

为解决以上问题，研究者们多采用包覆和掺杂这两种手段。目前报道的包覆方式大多为机械混合包覆，然而这种包覆方式存在两个缺点：(1)对正极材料表面包覆不均匀；(2)包覆物质在循环过程中很大一部分都会脱落。虽有少量的湿法包覆三元正极材料的方法，但湿法包覆的制备成本较高，而且还会对高镍三元正极材料的结构产生一定的破坏。

镍锰二元无钴正极材料中不含钴元素，这有利于降低电池成本，而且目前有关包覆镍锰二元无钴正极材料的报道较少，在此基础上，研究开发一种提高镍锰二元无钴正极材料表面包覆材料的均匀性的制备方法，同时提高包覆材料和镍锰二元无钴正极材料的结构稳定性，这对于进一步提高镍锰二元无钴正极材料的电化学稳定性和锂离子、电子传输效率等电化学性能具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳包覆的镍锰二元无钴正极材料、其制备方法及锂离子电池，以解决现有技术中镍锰二元无钴正极材料表面包覆材料的均匀性差、包覆材料的稳定性差且极易脱落以及碳包覆的镍锰二元无钴正极材料电化学性能差的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种碳包覆的镍锰二元无钴正极材料的制备方法，碳包覆的镍锰二元无钴正极材料的制备方法包括：使离子置换基体、石墨烯和溶剂进行溶剂热反应，离子置换基体采用通式MO_n或M(OH)_n，得到含有氢氧化物/石墨烯复合材料的溶液，氢氧化物的K_sp为(1×10^-40)～(1×10^-11)，其中，M选自第IIA族、第IIIA族、第IVA族、第IIIB族、第IVB族、第VIB族、第VIIB族或第VIII族，n为2～4；使镍锰二元无钴正极材料与含有氢氧化物/石墨烯复合材料的溶液进行离子交换，得到碳包覆的镍锰二元无钴正极材料。

进一步地，M元素选自Al、Zr、Sr、Ti、Zn、Y、Mg、B、Co或Mn。

进一步地，氢氧化物、石墨烯及溶剂的重量比为(50～5000):1:(100～10000)；优选地，氢氧化物、石墨烯及溶剂的重量比为(100～500):1:1000；更优选地，溶剂选自水和/或醇类化合物。