[发明专利]一种高镍三元正极材料、其制备方法及锂离子电池

说明书

本发明公开了一种高镍三元正极材料、其制备方法及锂离子电池，涉及锂离子电池技术领域。利用聚丙烯腈（PAN）中CN‑基团的氮原子上含有的孤对电子，其易于与金属离子形成配位键，通过引入具有金属螯合特性的PAN作为分子桥连剂，基于PAN中CN与金属的配位特性，将LiNisubgt;x/subgt;Cosubgt;y/subgt;Mnsubgt;1‑x‑y/subgt;Osubgt;2/subgt;与表面包覆层磷酸铁锂分子紧密“拉在一起”。采用本发明提供的方式引入磷酸铁锂，有利于提升磷酸铁锂分布的均匀性，能够显著改善高镍三元正极材料的电化学性能和循环稳定性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种高镍三元正极材料、其制备方法及锂离子电池。

背景技术

层状氧化物LiNixCoyMn1-x-yO₂ (NCM)，如NCM811，由于其较高的理论比容量(约280 mAh g⁻¹)和高的工作电压，是电动车应用电池广泛研究和应用的正极材料。材料的性能与Ni含量密切相关，Ni含量越高，比容量越大，但同时安全性能严重恶化。因此，提高富镍NCM材料的安全性能，同时又不影响其电化学性能，尤其是电池的能量密度是至关重要的。在NCM电池热失控过程中，电池内部各部件会发生一系列放热反应，其中相变引起的NCM释放氧气是关键步骤。此外，电解液与材料表面直接接触，充放电过程中电解液的存在加速了NCM的相变。为此，开发不同的氧化物涂层对活性NCM材料进行表面包覆可以阻止其与电解质的反应。然而，这些涂层因为有限的离子和电子电导率，其包覆改性的NCM阴极材料的倍率性能明显受到限制。非活性的涂层材料也降低了整体电池的能量密度。因此，如何通过调整涂层厚度在安全性和性能之间取得平衡是一个挑战。

磷酸铁锂（LFP）具有橄榄石结构，拥有很高的高安全性和稳定性。其理论容量可以达170 mAh g⁻¹。因此，通过一定的掺混比例的调控，LFP与NCM掺混使用所得电池的能量密度与NCM电池基本相当的水平。CN104779377A中直接将LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂与磷酸铁锂正极材料干法混合，与钛酸锂负极配合使用，所得电池的安全性得到明显改善。陈君超等采用干法融合方法将LiFePO₄纳米颗粒作为涂层混合包覆于LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂表面，LiFePO₄涂层有助于减少阴极-电解质界面的形成。与LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂相比，当充电至4.5 V时，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂与LiFePO₄复合阴极材料具有更高的可逆容量210 mAh^-1时容量，更优异的容量保持率(100次循环，保持率95%)。差热分析DSC测试也显示，复合阴极材料的热失控温度高于纯LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料。可见，将LFP与NCM材料搭配使用，有利于实现高能量密度、循环稳定性和高安全性能，这使其有望得到大规模的应用。

目前，利用高镍三元材料与磷酸铁锂复合的方式普遍存在着均匀性较差、二者之间相互作用较弱的问题，这也导致了电化学性能综合效果并不理想，如容量、倍率性能偏低。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高镍三元正极材料、其制备方法及锂离子电池，旨在显著提升材料的电化学性能和循环稳定性能。

本发明是这样实现的：