[发明专利]正极材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明提供了一种正极材料及其制备方法、锂离子电池。该正极材料的化学式为LiNisubgt;(1‑x)/subgt;Mosubgt;x/subgt;Mesubgt;y/subgt;Osubgt;2/subgt;，其中0＜x＜0.3，0＜y＜0.3；Me选自Y、Nb、Ce、Ta、Mn或W中的一种或多种。基于此，正极材料能量密度较高、倍率性能较优、功率性能较好、低温性能较优、且安全性能较高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种正极材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具备能量密度大、输出功率高、循环寿命长和环境污染小等优点被广泛应用于电动汽车及消费类电子产品中。近年来，随着电动乘用车的普及，车主发现使用磷酸铁锂电池的电动车在北方冬季续航里程严重缩水，与标准里程相比，缩水在30-50％。而三元锂电池电动车也会缩水，但与标准里程相比，缩水仅在20-30％。因此，北方的消费者越来越多的开始选用三元锂电池电动车，但其依然存在低温条件下充电缓慢等问题。锂电池由正极、负极、电解液及隔膜四者组成。低温下，锂离子的传输速率下降是导致锂离子电池充放电效率降低的主要原因。现有技术中改善锂电池的低温性能主要是通过改进正负极活性材料和电解液，具体如下：一是，正负极活性材料，减小正极负极材料的颗粒尺寸，增大了锂离子进出正负极材料的界面，有利于改善低温性能；二是，通过降低低温下电解液的粘度，增大锂离子在电解液中的迁移速率；三是，调整电解液添加剂组份，改变负极SEI膜的成分及厚度。

我国地域范围极广，各地的气候也千差万别，有极寒的东北，也有高温的海南，如此大的温度变化，会对锂离子电池的电性能产生显著的影响。在这些特殊领域，由于使用环境比较苛刻，往往需要电池能在-30℃甚至更低温度下工作。然而，当使用温度低于-20℃时，锂离子电池并不能维持其在常温条件下的性能。一般，当温度降至-10℃时，锂离子电池的放电容量和工作电压都会降低。韩国大邱市科技学院的Sun Ho Park(第一作者)和Myung-Hyun Ryou，Yong Min Lee(通讯作者)等人分析了环境温度变化对于锂离子电池功率性能的影响程度大于对容量发挥的影响程度，研究表明温度对于锂离子电池功率性能会产生很大的影响。

锂离子电池三元材料LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂由于高克容量、安全性好、成本低廉、工作电压与现有电解液匹配、无环境污染等优点，被认为是可取代钴酸锂并具有发展潜力的正极材料。由于协同作用，三元材料的性能优于任一单元材料。控制Ni、Co、Mn元素的比例是优化三元正极材料性能的关键因素之一，Ni含量过高会使电池安全性能下降，Co含量过高会使材料成本提高，然而减少两元素含量又会导致材料容量低、结构不稳定等问题。已有大量研究表明采用表面包覆、掺杂以及两者组合的方法改善三元正极材料的电化学性能。但单一的表面包覆或掺杂方法却不能显著改善三元正极材料的循环性能。

通常，为了更好地形成三元正极材料的层状结构，合成过程中需加入过剩的锂源，合成后产生Li₂O状态未反应的锂氧化物，这种未反应的锂氧化物会和空气中的水和二氧化碳等发生反应形成残留碱(主要成分：LiOH、Li₂CO₃)，残留在正极材料表面。然而，三元正极材料尤其是高镍正极材料大幅增加的表面残留碱性杂质会导致锂离子电池在充放电过程中出现严重的产气问题，从而导致电池膨胀变形、循环搁置寿命变短以及存在安全隐患等问题。三元材料中镍占比越多，材料的放电容量越高，残留碱也越高，随之而来的是充放电过程中循环寿命性变得越短，尤其活性材料与电解液之间的界面稳定性也会相应地变差，从而造成副反应的发生，影响材料的循环稳定性。