[发明专利]一种层状二维材料包覆镍钴锰三元正极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明属于电池正极材料技术领域，特别涉及一种层状二维材料包覆镍钴锰三元正极材料的制备方法及其应用。通过静电吸附的方法实现含Ag粒子MXenes纳米片材料对镍钴锰三元正极材料的包覆，有效降低了正极材料与电解液之间的接触面积，减少了两者由于直接接触而发生的副反应，提高了镍钴锰三元正极材料的电化学稳定性。同时本发明制备方法简单，流程短，步骤易于操作，且材料加工性能与电化学性能优异。

技术领域

本发明属于电池正极材料技术领域，尤其涉及一种层状二维材料包覆镍钴锰三元正极材料的制备方法及其应用。

背景技术

在新能源的开发和利用过程中，人们需要能量转换效率较高的化学储能装置。在众多的化学电源中，锂离子电池因其自身具有能量密度高、使用寿命长、自放电程度小、无记忆效应及环境友好等诸多优点而备受关注。正极材料作为锂离子电池的原材料，是锂离子电池中最为关键的部分，其能量密度很大程度上决定了一个电池的能量密度。目前市场上使用占比较大的材料为层状结构的正极材料LiCoO₂，但随着科学技术的进步以及市场的需求的推进，LiCoO₂因其自身存在如Co是稀缺材料且成本较高、有毒性等缺点，逐渐被其他正极材料所取代。诸如三元正极材料、磷酸铁锂等这种环境友好型、低毒性、高放电电压的正极材料，是未来锂离子电池发展的主要方向。

三元材料LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂是一种层状结构的复合型锂离子电池正极材料。在该材料中Co元素起到稳定材料的层状结构，降低阳离子混合占位的作用，而Ni元素的显+2价，在电池的充电过程中Ni⁺²会被氧化为Ni⁺⁴，在电子转化过程中，为材料提供较高的比容量。Mn元素在电池的充放电过程中价态不变，起到稳定材料结构的作用，并且Mn的成本较低。镍钴锰三元材料因其成本低廉、可逆容量大(理论容量278mAh/g)、安全环保、充放电电压平台高(3.75V)等优点，被认为是最具有发展潜力的正极材料之一。

但在实际应用中，镍钴锰三元材料仍存在着诸多缺点，即材料表面容易与空气中的H₂O反应生成LiOH，随后LiOH再与空气中的CO₂反应，最终生成Li₂CO₃。副反应产物Li₂CO₃增加了电荷转移阻抗，且会在电池的充放电过程中与电解液反应生成CO₂，使电池出现胀气现象。在电解液中含有极微量的HF，这些HF可与活性物质反应，降低电极中活性物质含量，破坏材料结构，严重影响材料的循环性能。因此，对材料表面进行包覆可有效避免以上现象，选择合适的包覆材料可以有效提高电极材料表面的电子和离子的电导率，在电解液和电极之间形成一层保护膜，进一步提高材料的循环性能和倍率性能。

中国专利CN201310433513.7公开了一种碳包覆三元正极材料的制备方法及该碳包覆三元正极材料。将导电碳和有机碳源配合使用制备碳包覆三元正极材料，有机碳源在缺氧条件下高温处理形成具有网络状的无定形碳，将导电碳和三元正极材料同时包覆一起。无定形碳在其中充当导电碳和三元正极材料的导电媒介或通道，大大地提高了该三元正极材料的倍率性能，有效抑制了三元正极材料充放电过程晶体畸变程度，从而明显提高了该三元正极材料的倍率性能及循环稳定性能，提高锂离子电池循环性能。

中国专利CN201811289186.1公开了一种碳包覆三元正极材料的制备方法及其制得的碳包覆三元正极材料、锂离子电池和应用，通过冷冻干燥的方法，实现三元材料的外部包覆，同时在其内部也实现碳包覆，这种内部外部均有碳体相包覆的三元材料不仅能够极大提高其大倍率稳定性和高电压循环稳定性，而且对其结构的稳定和内部电子电导率也有很大改善。

发明内容