[发明专利]一种表面结构重组的富锂锰基正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种表面结构重组的富锂锰基正极材料及其制备方法与应用，其中，该富锂锰基正极材料包含尖晶石相Lisubgt;4/subgt;Mnsubgt;5/subgt;Osubgt;14/subgt;表面修饰层和富锂锰基正极材料，表面修饰层的厚度为10～30nm。本发明利用尖晶石相Lisubgt;4/subgt;Mnsubgt;5/subgt;Osubgt;14/subgt;具有三维快速锂离子传输通道和大量氧空位的结构特性，加快了锂离子电池正极材料的锂离子扩散速度，改善了首次充放电过程中氧气的不可逆释放过程，从而使得其首次库伦效率和倍率性能有很大的提升。表面修饰层还改善了锂离子电池正极材料的结构稳定性，显著提高了其循环稳定性。同时，该改性方法用料安全，条件温和、制作工艺简单、成本低，更适合正极材料的工业化实施和应用。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，涉及一种表面结构重组的富锂锰基正极材料及其制备方法与应用。

背景技术

富锂锰基正极材料具有高的理论放电比容量(250mAh/g)和高的工作平台(4.5V)，表现出良好的应用前景，被视为下一代动力锂离子电池的理想之选。但是，现阶段的富锂锰基正极材料具有首次不可逆容量高、循环和倍率性能较差等缺点。研究发现，富锂锰基正极材料的高容量得益于其内部氧阴离子的氧化还原过程(O^2-→O^2n-)，但当其在4.5V的高压下充电时，正极材料表面的晶格氧会在首次充电过程中变成氧气释放，导致材料发生不可逆相变，造成不可逆的容量损失。同时，随着循环的进行，正极材料/电解界面处的副反应加剧，正极材料的结构发生坍塌，最终限制锂离子在正极材料中的扩散，使其在循环过程中放电比容量和放电中值电压不断降低，阻碍了其实际应用。

目前，表面修饰改性是提高富锂锰基正极材料表面结构稳定性的主要方法，一般是采用一种或几种惰性物质或者导电性物质，在原始材料的表面形成包覆层，提高电导率的同时保护原始材料的表面不受电解液的侵蚀，减少电极/电解液界面阻抗。但是引入其他包覆层材料的合成过程较为繁琐，且会导致富锂锰基正极材料的容量有所降低，这种建立在牺牲容量的基础上提高材料动力学过程的改性方法，无法满足高容量锂离子电池的发展和产业化的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种表面结构重组的富锂锰基正极材料及其制备方法与应用。该正极材料更经济、更高容量、循环性能好。该正极材料的制备方法工艺过程简单，操控方便，生产周期短且产品性能稳定。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种表面结构重组的富锂锰基正极材料，包含富锂锰基正极材料和覆盖在所述富锂锰基正极材料表面的修饰层；所述修饰层为尖晶石相Li₄Mn₅O₁₄。

优选的，所述富锂锰基正极材料为Li[Li_xNi_yCo_1-x-y-zMn_z]O₂，其中，0x1，0y0.4，0.4z1。

优选的，所述修饰层的厚度为10～30nm。

以上任一项所述的一种表面结构重组的富锂锰基正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将尿素分散于水中，再加入富锂锰基正极材料和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀；

2)将步骤1)中得到的溶液进行水热反应，再离心、洗涤和干燥，即得到中间体材料；

3)将步骤2)中得到的中间体材料煅烧，即得到表面结构重组的富锂锰基正极材料。

优选的，步骤1)中，将尿素分散于去离子水中，搅拌速度为300～500r/min的条件下，搅拌0.2～1h至分散均匀，后加入富锂锰基正极材料和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌速度为600～900r/min的条件下继续搅拌2～6h。