正极材料及含有该正极材料的正极极片和锂离子电池制造技术

本申请涉及一种正极材料及含有该正极材料的正极极片和锂离子电池。正极材料包括：活性材料；以及包覆层，包覆于活性材料表面，其中，包覆层包括含钴化合物，异质结构材料层存在于包覆层与活性材料层之间，异质结构材料包含Li、Co、O或M元素中的一种或多种，其中M包含N、P、S或B中的至少一种。本申请还提供了一种锂离子电池，该电池的正极材料采用在活性材料的颗粒表面包覆一定量的可嵌入锂离子的含钴化合物，形成具有表面稳定结构的包覆材料，可有效改善活性材料颗粒的表面稳定性，提升电池安全性能。

The positive electrode material and the positive electrode sheet containing the positive electrode material and the lithium-ion battery

The application relates to a positive electrode material and a positive electrode sheet and a lithium-ion battery containing the positive electrode material. The positive material includes: active material; and coating layer, which is coated on the surface of active material, wherein the coating layer includes cobalt compound, the heterostructure material layer exists between the coating layer and the active material layer, the heterostructure material includes one or more elements of Li, Co, O or m, wherein M includes at least one element of N, P, s or B. The application also provides a lithium-ion battery. The positive electrode material of the battery is coated with a certain amount of cobalt containing compounds which can be embedded into lithium ions on the surface of the particles of the active material to form a coating material with a surface stable structure, which can effectively improve the surface stability of the particles of the active material and improve the safety performance of the battery.

【技术实现步骤摘要】
正极材料及含有该正极材料的正极极片和锂离子电池
本申请涉及一种正极材料及含有该正极材料的正极极片和锂离子电池。
技术介绍
随着人类社会和科技进步的发展，人们对能源的依赖度越来越高，化石燃料的不可再生性导致了能源价格的走高以及全球能源局势的紧张，传统的能源利用方式所带来的资源短缺、环境污染、温室效应等问题日益突出，这些问题持续威胁着人类的健康和生活，改善能源结构，开发高效、清洁的新型能源已成为全球共识。锂离子电池作为目前应用前景最广泛的电化学储能器件，因其清洁环保、高效安全和高能量密度等优点，被广泛应用于手机等小型数码产品，并的得到了广泛的认可和青睐。但是锂离子电池的安全性能仍然在很大程度上制约其进一步的应用。正极活性材料作为锂离子电池的重要组成部分对其性能有着显著的影响，因而对正极活性材料的不断优化和改进也就显得尤为重要。随着电子产品的更新换代，追求高能量密度成为锂离子电池正极活性材料的发展趋势。作为最早商业化的锂离子正极活性材料钴酸锂已经得到了广泛而深入研究，在可逆性、放电容量、充电效率和电压稳定性等方面综合性能最好，是目前锂离子电池中应用量最大的正极活性材料。经过几十年的发展，钴酸锂结构特性和电化学性能也都得到充分的研究，合成工艺及工业化生产也已相当成熟。其凭借较高的放电电压平台和较高的能量密度，一直在消费类锂离子电池正极活性材料中占据主导地位，但是钴酸锂也存在一些明显的缺点，在高电压下出现相变和结构坍塌导致倍率性能变差，且与电解液的接触反应导致颗粒表面破坏和产气现象的出现，进而影响电池的安全性能，破坏电池的使用寿命。因此，有必要提供一种安全性能进一步改进的正极活性材料。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的缺陷，本申请提供了一种正极材料、其制备方法和含有该正极材料的正极极片和锂离子电池。根据本申请的第一方面，提供了一种正极材料包括：活性材料；以及包覆层，包覆于所述活性材料表面，其中，所述包覆层包括含钴化合物，所述含钴化合物与所述活性材料形成异质结构材料层，异质结构材料层存在于包覆层与活性材料层之间，所述异质结构材料包含Li、Co、O或M元素中的一种或多种，其中M包含以下所述元素中的一种或多种：N、P、S或B。在上述正极材料中，所述异质结构材料层的厚度为2～16nm。在上述正极材料中，所述含钴化合物包含氮化钴、磷化钴、硫化钴或硼化钴中的至少一种。在上述正极材料中，所述含钴化合物在所述正极材料中所占的质量比为0.1％～5％。在上述正极材料中，所述正极材料的颗粒粒径满足：体积累积50％的粒径为200nm～300nm。在上述正极材料中，所述活性材料包含钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂或富锂锰基材料中的一种或两种及以上的组合。根据本申请的第二方面，还提供了一种根据本申请第一方面所述的正极材料的制备方法，包括：对所述活性材料和所述含钴化合物进行研磨，得到正极材料前躯体；以及对所述正极材料前躯体进行烧结和研磨，获得所述正极材料。在上述制备方法中，在滚筒球磨罐中对所述活性材料和所述含钴化合物进行研磨。在上述制备方法中，将所述正极材料前躯体置于惰性气氛或空气气氛中在400℃～800℃条件下进行烧结，将得到的粉料进行研磨，获得所述正极材料。根据本申请的第三方面，还提供了一种正极极片，包括正极材料，其中所述正极材料为根据本申请第一方面所述的正极材料。根据本申请的第四方面，还提供了一种锂离子电池，包括：正极极片；负极极片；隔离膜，位于所述正极极片和所述负极极片之间；以及电解液；其中，所述正极极片为根据本申请的第三方面所述的正极极片。本申请提供了一种改善安全性能的锂离子电池，该电池的正极材料采用在活性材料(例如，钴酸锂)的颗粒表面包覆一定量的可嵌入锂离子的含钴化合物，形成具有表面稳定结构的包覆材料，可有效改善活性材料颗粒(例如，钴酸锂)的表面稳定性，提升电池安全性能。当采用钴酸锂作为正极材料时，由于钴酸锂材料在高电压条件下工作时，其热稳定性和电化学稳定性较差，进而导致电池在安全方面面临诸多隐患，如钴溶出导致的电池短路、正极与电解液反应产生电芯胀气等问题。本申请通过采用成本较低的球磨工艺，通过在活性材料表面包覆一定量的在电池工作电压区间结构较为稳定的含钴化合物以形成具有表面稳定结构的包覆材料，既提高了正极材料整体的导电性，同时有效改善钴酸锂材料的颗粒表面稳定性，从而改善电池的安全性能。在本申请中，含钴化合物在球磨过程中附着在活性材料表面，并在后续的烧结过程中形成结晶性良好的化合物，且稳定的包覆在活性材料的表面，这一结构不仅稳定了活性材料(例如，钴酸锂)的颗粒表面，表面包覆层较好的稳定性保证了活性材料在高电压下颗粒界面不受破坏，也减少了电解液对正极材料的腐蚀，且表面包覆材料没有改变活性材料的晶体结构，XRD结果表明合成的材料主体仍然是钴酸锂，如图1所示。表面的含钴化合物包覆层与活性材料之间通过原子的相互扩散形成一种导电性优良的异质结构材料层，提升了正极材料整体的电导率，减小了电荷转移过程中的界面阻抗，同时提高正极材料颗粒间的电子电导率和锂离子扩散系数，减少电池反应出现的极化问题，同时稳定界面结构，改善正极材料颗粒表面结构稳定性，改善正极材料的结构稳定性和热稳定性，并最终优化了正极材料的安全性能和使用寿命。综上所述，本申请制备条件易于控制、工艺简单，且合成的正极材料颗粒表面稳定，可有效改善电池的安全性能和循环寿命。附图说明图1是根据本申请的实施例5合成的材料的XRD图。具体实施方式下面详细充分地说明示例性实施例，不过，这些示例性实施例可以用不同的方式来实施，并且，不应被解释为局限于本申请所阐述的这些实施例。相反，提供这些实施例的目的在于使本申请公开彻底和完整，以及将本申请的范围充分地传达给本领域所属技术人员。根据本申请的第一方面，提供了一种正极材料包括：活性材料；以及包覆层，包覆于所述活性材料表面，其中，所述包覆层包括含钴化合物，所述含钴化合物与所述活性材料形成异质结构材料层，异质结构材料层存在于包覆层与活性材料层之间，所述异质结构材料包含Li、Co、O或M元素中的一种或多种，其中M包含N、P、S或B中的至少一种。在上述正极材料中，所述异质结构材料层的厚度为2～16nm。在上述正极材料中，活性材料包含钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂或富锂锰基材料中的一种或多种的组合。在上述正极材料中，钴酸锂、镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂的化学式可以为LixCoaM1bO2-c，其中，M1表示包含镍(Ni)、锰(Mn)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)、钇(Y)、镧(La)、锆(Zr)或硅(Si)中的至少一种，x、a、b和c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正极材料包括：/n活性材料；以及/n包覆层，包覆于所述活性材料表面，其中，所述包覆层包括含钴化合物，异质结构材料层存在于包覆层与活性材料层之间，所述异质结构材料包含Li、Co、O或M元素中的一种或多种，其中M包含元素N、P、S或B中的一种或多种。/n

【技术特征摘要】
1.一种正极材料包括：
活性材料；以及
包覆层，包覆于所述活性材料表面，其中，所述包覆层包括含钴化合物，异质结构材料层存在于包覆层与活性材料层之间，所述异质结构材料包含Li、Co、O或M元素中的一种或多种，其中M包含元素N、P、S或B中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的正极材料，所述异质结构材料层的厚度为2nm～16nm。


3.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述含钴化合物包含氮化钴、磷化钴、硫化钴或硼化钴中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述含钴化合物在所述正极材料中所占的质量比为0.1％～5％。


5.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述正极材料的颗粒粒径满足：体积累积50％的粒径为200nm～300nm。


6.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述活性材料包含钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏伟，王梦，徐磊敏，王亮，
申请(专利权)人：宁德新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35