[发明专利]一种钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料，化学通式为Li（Li_0.2M_0.8(1‑x)W_x）O_2‑yS_y；其中0≤x＜0.1，0≤y＜0.1，M为Ni、Co、Mn中的至少一种。本发明还提供一种上述钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料的制备方法。本发明将二硫化钨用于富锂锰基正极材料掺杂改性得到钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料，钨阳离子、硫阴离子成功掺杂后对层状结构的富锂锰基正极材料的首次库伦效率、循环稳定性均有显著的提升。并且，针对层状结构的前驱体，本发明在配锂的过程中采用二硫化钨一步共掺杂钨和硫，制备工艺简单易行，两种元素掺杂来自同一化合物，不会引入其它杂质。

技术领域

本发明属于电池材料领域，尤其涉及一种富锂锰基正极材料及其制备方法。

背景技术

能源是21世纪三大经济支柱产业之一，是人类赖以生存的重要依靠。传统的化石燃料可提供能量，但会带来严重的环境污染问题。越来越多的人认识到选择一种高能量密度、长使用寿命、可反复使用的能源和环境友好的电池能源是十分重要的。高能量密度的锂离子电池一直是人们在移动终端、电动汽车等方面所追求的目标。在现有的电池技术中，已经商用的石墨负极材料具有超过350mAh•g^-1的放电容量，而正极材料容量远低于负极材料，因此限制锂离子电池能量密度的因素主要是正极材料。目前锂离子电池提升容量的重点在于如何在保证安全性的前提下提升正极材料的比容量。

层状富锂锰基正极材料xLi₂MnO₃•(1-x)LiMO₂（0＜x＜1，M＝Mn、Co、Ni）可以被认为是LiMO₂（M＝Mn、Co、N）和Li₂MnO₃组成的固溶体或者复合氧化物，它由于具有高理论比容量、宽工作电压窗口以及良好的热稳定性等优势，引起了人们的广泛研究，有望成为下一代锂离子电池正极材料。然而，由于其结构特征和充放电机理的复杂性，使得富锂锰基正极材料存在首圈库伦效率低、循环稳定性差、电压衰减严重等一系列问题，限制了富锂材料在锂离子电池中的实际应用。为了解决这些问题，研究者提出表面包覆、元素掺杂、形貌优化、酸处理等改性方法，从不同角度改善富锂材料的性能。

研究表明，元素掺杂通过对材料中不同元素进行取代，可有效抑制锂嵌入/脱出过程中的结构变化，从而提高材料的电化学性能。如公开号为CN109904425A的中国专利公开了一种阴阳离子共掺杂富锂锰基复合材料及制备方法，制备了Nb⁵⁺离子和F^-离子共掺杂Li_1.18Ni_0.15Co_0.15Mn_0.52O₂复合材料，提高了材料的首次库伦效率，但是材料在0.5C倍率下循环100次的容量保持率仅为84.1%，仍然不能解决长周期循环稳定性差的缺点。并且，溶胶凝胶法具有一定的不可控性，产率较低，不适宜规模化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种循环稳定性好、首次库伦效率高、掺杂工艺简单的钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料，化学通式为Li（Li_0.2M_0.8(1-x)W_x）O_2-yS_y；其中0≤x＜0.1，0≤y＜0.1，M为Ni、Co、Mn中的至少一种。上述掺杂量过大，掺杂元素可能难以进入材料晶格内部，达不到预期效果；可提供容量的活性金属含量过低，会造成电池的放电容量降低；并且，掺杂元素导电性不佳，其用量过大可能会导致电池的综合性能不好。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的钨、硫共掺杂改性富锂锰基正极材料的制备方法，包括以下步骤：