[发明专利]一种无钴高镍三元梯度锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，公开了一种无钴高镍三元梯度锂离子电池正极材料及其制备方法。该正极材料包括本体材料和包覆材料；本体材料的化学式为LiNisubgt;x/subgt;Msubgt;y/subgt;Mnsubgt;z/subgt;Osubgt;2/subgt;，其中，0.7≤x≤0.9，0.05≤z≤0.2，x+y+z＝1；M为Zr、V、Mg、Al、Sr、La、Ce、W、Ti或Zn中的一种，包覆材料为Lisubgt;2/subgt;TiOsubgt;3/subgt;和Lisubgt;2/subgt;ZrOsubgt;3/subgt;。本发明的梯度设计使镍含量在材料核体至外部壳层逐渐降低，高镍核体提供较高的容量，随着镍的降低，减少了高镍材料与电解液接触发生的副反应，提高了正极材料的循环稳定性；且包覆层形成了保护层，改善了正极材料表面发生副反应的问题，同时还增强了电导性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，尤其涉及一种无钴高镍三元梯度锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

随着能源危机问题日益加重，寻找一种能够替代传统石油能源的新型绿色能源迫在眉睫，锂离子电池以其高可逆容量、长循环寿命、环境友好以及应用范围大等优点受到研究人员的广泛关注。

在锂离子电池正极材料中，镍钴锰(NCM)三元材料综合了镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂材料的性能，具有比容量高、循环寿命长、稳定性高的优点，被广泛用于锂离子电池正极材料。传统的NCM三元材料中钴起着至关重要的作用，然而近几年来钴元素的价格逐渐提高，导致传统正极材料的价格飞升，严重限制了锂离子电池的广泛应用，因此，高镍或无钴高镍正极材料被研发。在实际应用中，钴元素的去除可显著降低成本，但镍锰(NM)正极材料表现出了较差的循环稳定性。

在此基础上，研究人员通过替换钴元素、元素掺杂等方法提高无钴高镍正极材料的比容量以及稳定性，但得到的材料电化学性能并不能达到预期。例如，专利CN113889615A使用钨元素代替钴，提供了一种无钴高镍三元浓度梯度核壳结构锂离子电池正极材料，但是，该材料电化学性能较差，在1C倍率下放电比容量最高仅为188.6mAh/g，不能满足目前对于更高比容量性能的要求。又如，专利CN110970601A公开了一种双梯度包覆的高镍三元正极材料，虽然该材料为高镍材料，但仍然存在一定含量的钴，无法从根本上解决无钴体系的问题。又如，专利CN106910874A、CN111628149A等均公开了梯度高镍三元正极材料，首次放电容量可达200mAh/g，具有优异的电化学性能，但均为NCM体系，不能完全避免钴的使用。

因此，如何提供无钴高镍体系的三元正极材料，且同时具有高比容量以及良好稳定性的锂离子电池正极材料对新能源的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无钴高镍三元梯度锂离子电池正极材料及其制备方法，解决现有技术存在的上述技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种无钴高镍三元梯度锂离子电池正极材料，所述正极材料包括本体材料和包覆材料；

所述本体材料的化学式为LiNi_xM_yMn_zO₂，其中，0.7≤x≤0.9，0.05≤z≤0.2，x+y+z＝1；M为Zr、V、Mg、Al、Sr、La、Ce、W、Ti或Zn中的一种；

所述本体材料中Ni元素的含量由材料内部到表面逐渐降低，Mn元素的含量由材料内部到表面逐渐升高，M元素的含量在材料中分布均匀；

所述包覆材料为含锂化合物。

优选的，在上述一种无钴高镍三元梯度锂离子电池正极材料中，所述包覆材料为Li₂TiO₃和Li₂ZrO₃；所述包覆材料中Ti元素和Zr元素的摩尔比为3～7：1～5。