[发明专利]一种钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池材料领域，具体提供了一种钽与锆共掺杂的改性无钴单晶富锂锰基正极材料及其制备方法，所述正极材料的化学通式为：Lisubgt;a/subgt;Nisubgt;b/subgt;Mnsubgt;c/subgt;Tasubgt;x/subgt;Zrsubgt;y/subgt;Osubgt;2/subgt;，其中，a介于1.2‑1.4之间，b介于0.2‑0.3之间，c介于0.5‑0.6之间，x和y介于0.005‑0.015之间，x和y相同或者不同。采用本发明的正极材料以及制备方法，提高了无钴单晶富锂锰基正极材料的循环稳定性，抑制了其首圈容量不可逆衰减，大幅提高了首次库伦效率。

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体涉及一种钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池的发展与正极材料、负极材料和电解质的发展有关。从目前的需求来看，正极材料的低能量密度是其短板。

正极材料中，相对于LiCoO₂、LiMn₂O₄和LiFePO₄来说，通式为xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Ni，Mn)的富锂锰基正极材料表现更高的比容量(250mAh·g^-1)，被认为是下一代阴极。

富锂锰基正极材料的实际应用存在以下问题：(1)在较高的截止电压时，电解液容易受到局部过氧化活性基团的攻击而发生分解。此外，还会在材料表面产生电解质界面(CEI)层，增加了界面电阻，消耗锂化/脱锂锂离子，并导致产生额外的热量和气体。(2)初始库仑效率低(3)严重的容量和电压衰减现象(4)电压滞后。(5)较差的倍率性能和低温性能。在循环期间，这些问题会产生严重的性能问题和安全问题从而阻碍了富锂锰基正极材料的产业应用。通过阳离子、阴离子掺杂改性对富锂锰基材料的首次库伦效率和循环稳定性有很大的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料及其制备方法，用以提升无钴单晶富锂锰基正极材料的循环稳定性及其首次库伦效率率。

为了实现上述目的，本次发明采取的技术方案如下：

一种钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料，其特征在于，所述正极材料的化学通式为：Li_aNi_bMn_cTa_xZr_yO₂，其中，a介于1.2-1.4之间，b介于0.2-0.3之间，c介于0.5-0.6之间，x和y介于0.005-0.015之间，x和y相同或者不同；x和y优选介于0.008-0.012之间。

本发明另一方面还涉及上述钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：利用共沉淀法制备无钴富锂锰基正极材料的前驱体；

步骤2：将步骤1中制备的前驱体进行洗涤、烘干处理；

步骤3：将步骤2中获得的前驱体、氢氧化锂、五氧化二钽和氧化锆混合球磨，得到钽、锆共掺杂改性无钴富锂锰基前驱体；

步骤4：将步骤3中得到的钽、锆共掺杂改性无钴富锂锰基前驱体进行烧结处理，即获得钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料。

步骤5：将步骤4中获得钽与锆共掺杂无钴单晶富锂锰基正极材料经过球磨处理后，使用筛子进行过筛处理，随后得到正极料。

上述制备方法，利用共沉淀法制备无钴富锂锰基前驱体的具体步骤如下：

步骤1-1：将镍锰过渡金属盐按一定摩尔比称量，混合后加入去离子水配成溶液，称取NaOH并加入络合剂氨水溶液与去离子水配成4mol/L的混合碱溶液(氨水浓度为0.4～0.6mol/L)；