一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种锂离子电池正极材料，该锂离子电池正极材料为核‑壳结构，该核‑壳结构的内核为正极材料基体，该核‑壳结构的外壳为包覆在所述正极材料基体表面的包覆层；其中，形成所述正极材料基体的材料为含有氧元素的锂离子材料；形成所述包覆层的材料为含有金属离子的材料；所述包覆层中的金属离子与所述锂离子材料表面的氧元素之间形成化学键，从而使所述包覆层均匀稳定地包覆在所述正极材料基体表面。该正极材料提升了锂离子电池的容量和循环性能。此外，本申请还公开了一种锂离子电池正极电极片以及锂离子电池。

A cathode material for lithium ion battery and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用
本申请涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池由于具有较高的能量密度和功率密度、小体积、高安全、环境友好等优势，已经在消费电子、移动终端、通信储能等领域得到广泛应用。尤其是对于智能手机等移动终端设备，随着其功能的逐步强大和使用频率的提高，消费者对于长续航和快充的需求越来越强烈。然而目前锂离子电池的制程工艺已经达到极限，想要进一步获得性能的提高只能依靠材料的进步和优化。在当前锂离子电池体系中，负极石墨材料结构稳定，在整个生命周期内基本不会发生结构变化。但是对于正极材料，在高电压(高脱锂态)下工作时，伴随锂离子的脱出，锂空位产生，同时在材料体系电荷平衡的作用下，过渡金属元素价态升高，使得材料基体表面呈现高氧化态化学环境，易与电解液发生氧化还原反应，导致(1)材料表面晶体结构发生不可逆相变(层状结构转变为岩金属盐相结构)，比容量衰减；(2)材料与电解液发生副反应，过渡金属元素溶出，同时伴随产气；(3)材料基体与电解液反应产生的副产物沉积在基体表面导致界面阻抗增加，加剧容量衰减；最终影响锂离子电池的容量、倍率和循环性能。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供了一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，以提高锂离子电池的容量和循环稳定性。为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：本申请的第一方面提供了一种锂离子电池正极材料，该锂离子电池正极材料为核-壳结构，所述核-壳结构的内核为正极材料基体，所述核-壳结构的外壳为包覆在所述正极材料基体表面的包覆层；其中，所述正极材料基体包括含有氧元素的锂离子材料；所述包覆层包括含有金属离子的材料；所述包覆层中的金属离子与所述锂离子材料表面的氧元素之间形成化学键，从而使得核壳之间通过化学键合作用键合在一起，进而使所述包覆层均匀稳定地包覆在所述正极材料基体表面。本申请第一方面提供的锂离子电池正极材料为核-壳结构，该核-壳结构的内核为正极材料基体，所述核-壳结构的外壳为包覆在正极材料基体表面的包覆层。而且，包覆层中的金属离子与锂离子材料表面的氧元素之间形成化学键，从而使得得核壳之间通过化学键合作用键合在一起，进而使包覆层通过化学键作用键合在与正极材料基体表面，因化学键的作用力较强，且包覆层可以与基体表面的氧元素进行有效结合，因此，包覆层可以均匀稳定地包覆在所述正极材料基体表面。因而，在本申请提供的锂离子电池正极材料中，包覆层与正极材料基体之间的稳定性较强，如此包覆层避免了正极材料基体与电解液的直接接触，从而减少了正极材料基体与电解液发生副反应的可能，缓解了高电压下过渡金属和电解液发生氧化还原反应导致的过渡金属溶出和产气，稳定了材料结构，提高了电池的容量和循环性能。而且，副反应的减少，减少了沉积在基体表面的副产物量，从而降低了基体表面界面阻抗的增加，缓解循环过程中电池容量的衰减。如此，本申请提供的锂离子电池正极材料具有较高的循环稳定性。同时，通过化学键将包覆层包覆在正极材料基体表面的锂离子电池正极材料，可以精确地控制包覆层的厚度，有利于缓解正极材料的界面阻抗，从而有利于锂离子在正极材料中的快速传输，提高材料反应动力学和倍率性能。结合本申请的第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述包覆层包括金属化合物和金属盐中的至少一种。基于本申请的第一方面的第一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，所述金属化合物或金属盐的化学通式表示为AxBy，其中，A和B同时满足以下条件：A与氧元素的电子结合能E满足以下条件：528.1eV<E<534eV；A的价电子数大于1；B的电负性大于2.0，所述A为Al、Ti、Mg、Zn、La、Zr、Y、Hf、Nb、In、W、Ta、Ba、Te、Sb、V中的至少一种，所述B为O、F、S、P、N、H、As、Sb、I、H、、中的至少一种。该第一方面的第二种可能的实现方式，通过原子化学键合作用(O-A-B-A-O)形成的均匀稳定包覆结构，缓解材料基体和电解液发生副反应引发的过渡金属溶出和产气。基于本申请的第一方面及其各种可能的实现方式中，在第三种可能的实现方式中，所述锂离子材料中还含有过渡金属离子，所述过渡金属离子为Fe、Mn、Co、Ni、V、Ti、Mo、Cu中的至少一种。该第一方面的第三种可能的实现方式能够提高正极材料的结构稳定性。基于本申请的第一方面及其各种可能的实现方式中，在第四种可能的实现方式中，所述锂离子材料中还包括掺杂元素，所述掺杂元素为Al、Mg、Ti、Sn、V、Cu、Zn、Zr、Cr、Mn、Ni、Co、Fe、Ga、Mo、Sb、W、Nb、La中的至少一种。基于本申请的第一方面的第四种可能的实现方式中，在第五种可能的实现方式中，所述锂离子材料为含有过渡金属的层状锂离子材料，晶型属六方晶系，空间群；所述含有过渡金属的层状锂离子材料包括氧离子层、过渡金属离子层和锂离子层；其中，所述过渡金属离子层和其两侧的所述氧离子层构成主体板层，所述锂离子层分布在所述主体板层的两侧。该第一方面的第五种可能的实现方式能够维持锂离子传输通道，保证锂离子正极材料结构稳定性。基于本申请的第一方面及其各种可能的实现方式中，在第六种可能的实现方式中，所述锂离子材料为钴酸锂、掺杂钴酸锂、镍钴锰酸锂和掺杂镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的至少一种。基于本申请的第一方面的第六种可能的实现方式中，在第七种可能的实现方式中，所述锂离子材料为LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2中的至少一种。基于本申请的第一方面及其各种可能的实现方式中，在第八种可能的实现方式中，所述包覆层的材料为Al2O3、La2O3、Y2O3、AlF3、WO3和Li3PO4中的至少一种。基于本申请的第一方面的第七种可能的实现方式中，在第九种可能的实现方式中，所述锂离子电池正极材料包括：Al2O3包覆LiCoO2、La2O3包覆LiCoO2、Y2O3包覆LiCoO2、AlF3包覆LiCoO2、Li3PO4包覆LiCoO2、Al2O3包覆LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Al2O3包覆LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、Al2O3包覆LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、WO3包覆LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、Al2O3包覆LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、Al2O3包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2中的至少一种。基于本申请的第一方面及其各种可能的实现方式中，在第十种可能的实现方式中，所述正极材料基体为所述锂离子材料组成的一次颗粒基体和/或二次颗粒基体。在第一方面的第十种可能的实现方式中，能够提高正极材料基体制作工艺的灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池正极材料，其特征在于，所述锂离子电池正极材料为核-壳结构，/n所述核-壳结构的内核为正极材料基体，所述核-壳结构的外壳为包覆在所述正极材料基体表面的包覆层；/n其中，所述正极材料基体包括含有氧元素的锂离子材料；所述包覆层包括含有金属离子的材料；/n所述包覆层中的金属离子与所述锂离子材料表面的氧元素之间形成化学键，从而使得核壳之间通过化学键合作用键合在一起，进而使所述包覆层均匀稳定地包覆在所述正极材料基体表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极材料，其特征在于，所述锂离子电池正极材料为核-壳结构，
所述核-壳结构的内核为正极材料基体，所述核-壳结构的外壳为包覆在所述正极材料基体表面的包覆层；
其中，所述正极材料基体包括含有氧元素的锂离子材料；所述包覆层包括含有金属离子的材料；
所述包覆层中的金属离子与所述锂离子材料表面的氧元素之间形成化学键，从而使得核壳之间通过化学键合作用键合在一起，进而使所述包覆层均匀稳定地包覆在所述正极材料基体表面。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述包覆层包括金属化合物和金属盐中的至少一种。


3.根据权利要求2所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述金属化合物或金属盐的化学通式表示为AxBy，
其中，A和B同时满足以下条件：
A与氧元素的电子结合能E满足以下条件：528.1eV<E<534eV；
A的价电子数大于1；
B的电负性大于2.0，所述A为Al、Ti、Mg、Zn、La、Zr、Y、Hf、Nb、In、W、Ta、Ba、Te、Sb、V中的至少一种，所述B为O、F、S、P、N、H、As、Sb、I、H、中的至少一种。


4.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述锂离子材料中还含有过渡金属离子，所述过渡金属离子为Fe、Mn、Co、Ni、V、Ti、Mo、Cu中的至少一种。


5.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述锂离子材料中还包括掺杂元素，所述掺杂元素为Al、Mg、Ti、Sn、V、Cu、Zn、Zr、Cr、Mn、Ni、Co、Fe、Ga、Mo、Sb、W、Nb、La中的至少一种。


6.根据权利要求5所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述锂离子材料为含有过渡金属的层状锂离子材料，晶型属六方晶系，R3m空间群；
所述含有过渡金属的层状锂离子材料包括氧离子层、过渡金属离子层和锂离子层；
其中，所述过渡金属离子层和其两侧的所述氧离子层构成主体板层，所述锂离子层分布在所述主体板层的两侧。


7.根据权利要求1-6任一项所述的锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政杰，李阳兴，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44