正极材料及其制备方法和电池技术

技术编号:23402983 阅读:36 留言:0更新日期:2020-02-22 14:58
本发明专利技术涉及一种正极材料及其制备方法和电池,所述正极材料为表面具有包覆层的核壳结构,所述核壳结构包括内核和包覆于所述内核表面的壳层,所述内核的材质为镍钴锰酸锂,所述壳层的材质为钴酸锂,所述包覆层的材质为铌酸锂和/或钛酸锂。该正极材料中,包覆层赋予了材料优异的离子传导率,能够与硫化物固态电解质存在良好的界面相容性,解决界面问题,核材料能提供高的克容量,而壳层能赋予材料优异的倍率性能,从而具有优异的电化学性能。将该正极材料应用于全固态锂离子电池中时,电池的放电比容量与循环及倍率性能均可得到有效提升。

Cathode material, preparation method and battery

【技术实现步骤摘要】
正极材料及其制备方法和电池
本专利技术涉及能源材料
,特别是涉及一种正极材料及其制备方法和电池。
技术介绍
锂离子电池作为一种新型的能源存储装置,以其具有的高能量密度及其较高的工作电压,越来越受到人们的关注。目前市面上的锂离子电池电解液主要以有机液体电解液为主,电池使用过程中容易发生泄漏现象,并且有机溶剂易燃易被氧化,因此在使用过程中存在着严重的安全隐患,鉴于此,有必要开发出一种更加安全的电解液来取代液态电解液,而全固态锂离子电池由于采用固态电解质,既充当了电解液的角色,又可作为隔膜使用,能有效防止电池过热时隔膜收缩问题,可以从根本上避免安全性能问题。并且相对于目前使用的液态电解液而言,固态电解质由于不需要溶剂作为分散剂,并且可以充当隔膜使用,因此能有效的减轻电芯的重量,使得电池朝着轻量化方向发展,能够进一步提升电池的能量密度。目前研究较多的为PEO聚合物电解质,其离子电导率较低,使得这一类型电池仍达不到实用要求。而硫化物电解质作为一种新型的固态电解质,其具有高离子传导率(2.5×10-2S/cm),达到甚至超过液态电解液的离子传导率水平。但是,传统的高镍正极材料与固态电解质界面相容性差,容易形成“界面问题”,导致电池性能不佳。
技术实现思路
基于此,有必要提供一种与硫化物固态电解质具有良好界面相容性的正极材料。一种正极材料,所述正极材料为表面具有包覆层的核壳结构,所述核壳结构包括内核和包覆于所述内核表面的壳层,所述内核的材质为镍钴锰酸锂,所述壳层的材质为钴酸锂,所述包覆层的材质为铌酸锂和/或钛酸锂。本专利技术根据核壳结构功能互补的原理,设计了一种表面具有包覆层的核壳结构的正极材料,其以镍钴锰酸锂为核材料,以钴酸锂(LiCoO2)为壳材料,并以铌酸锂和/或钛酸锂为包覆层。该正极材料中,包覆层赋予了材料优异的离子传导率,能够与硫化物固态电解质存在良好的界面相容性,解决界面问题,核材料能提供高的克容量,而壳层能赋予材料优异的倍率性能,从而具有优异的电化学性能。将该正极材料应用于全固态锂离子电池中时,电池的放电比容量与循环及倍率性能均可得到有效提升。在其中一个实施例中,所述核层中的镍钴锰元素与所述壳层中的钴元素的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.35。在其中一个实施例中,所述核层中的镍钴锰元素与所述壳层中的钴元素的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.15。在其中一个实施例中,所述正极材料中,所述包覆层的质量百分比为1%~5%。在其中一个实施例中,所述镍钴锰酸锂的化学式为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。本专利技术还提供了一种正极材料的制备方法,包括以下步骤:将核材料溶液、壳材料溶液、碱和络合剂混合进行前驱体反应,然后进行陈化、固液分离得到前驱体,将所述前驱体与第一锂源混合进行烧结得到核壳结构材料,再将所述核壳结构材料、第二锂源、有机溶剂和螯合剂混合,干燥后烧结得到所述正极材料;其中,所述核材料溶液为镍盐、钴盐和锰盐的混合盐溶液,所述壳材料溶液为钴盐溶液,所述第二锂源为铌酸锂和/或钛酸锂。在其中一个实施例中,所述核材料溶液中的镍盐、钴盐和锰盐与所述壳材料溶液中的钴盐的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.35。在其中一个实施例中,所述核壳结构材料与所述第二锂源的质量比为(19~99):1。在其中一个实施例中,所述镍盐为硫酸镍,所述钴盐为硫酸钴,所述锰盐为硫酸锰。本专利技术还提供了一种电池,包括负极材料和上述正极材料。附图说明图1为实施例1中制备的前驱体的SEM图;图2为实施例1中制备的核壳结构材料的SEM图;图3为实施例1中制备的正极材料的SEM图;图4为实施例1~3和对比例1~2的正极材料制备的电池的首次充放电图;图5为实施例1~3和对比例1~2的正极材料制备的电池的循环性能图;图6为实施例1中制备的核壳结构材料的EDS分析图;图7为实施例2中制备的核壳结构材料的EDS分析图;图8为实施例3中制备的核壳结构材料的EDS分析图。具体实施方式为了便于理解本专利技术,下面将对本专利技术进行更全面的描述,并给出了本专利技术的较佳实施例。但是,本专利技术可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本专利技术一实施例的正极材料,该正极材料为表面具有包覆层的核壳结构。其中,核壳结构包括内核和包覆于内核表面的壳层,内核的材质为镍钴锰酸锂,壳层的材质为钴酸锂(LiCoO2),包覆层的材质为铌酸锂(LiNbO3)和/或钛酸锂(Li4Ti5O12)。本专利技术根据核壳结构功能互补的原理,设计了一种表面具有包覆层的核壳结构的正极材料,其以镍钴锰酸锂为核材料,以钴酸锂(LiCoO2)为壳材料,并以铌酸锂和/或钛酸锂为包覆层。该正极材料中,包覆层赋予了材料优异的离子传导率,能够与硫化物固态电解质存在良好的界面相容性,解决界面问题,核材料能提供高的克容量,而壳层能赋予材料优异的倍率性能,从而具有优异的电化学性能。将该正极材料应用于全固态锂离子电池中时,电池的放电比容量与循环及倍率性能均可得到有效提升。在一个具体示例中,核层中的镍钴锰元素与壳层中的钴元素的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.35。优选地,核层中的镍钴锰元素与壳层中的钴元素的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.15。理论上钴酸锂包覆镍钴锰酸锂材料会造成材料的克容量有所降低,但根据测试数据发现,在9:1左右的核壳比条件下并没有造成材料的克容量降低,证明9:1左右的核壳比更能保证材料具有较高的克容量,使电池具有更高放电比容量,首圈放电比容量可达到171.2mAh/g,且循环性能较好。在一个具体示例中,上述正极材料中,包覆层的质量百分比为1%~5%,优选为3%。在一个具体示例中,镍钴锰酸锂的化学式为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,相比于其他比例的镍钴锰酸锂具有更高的克容量。在一个具体示例中,包覆层的材质为铌酸锂。LiNbO3相较于Li4Ti5O12具有更高的离子传导率,因此包覆层为LiNbO3材料时电池的性能优于包覆层为Li4Ti5O12材料的性能。本专利技术一实施例的上述正极材料的制备方法,包括以下步骤:将核材料溶液、壳材料溶液、碱和络合剂混合进行前驱体反应,然后进行陈化、固液分离得到前驱体,将前驱体与第一锂源混合进行固相烧结得到核壳结构材料,再将核壳结构材料、第二锂源、有机溶剂和螯合剂混合,干燥后烧结得到正极材料。其中,核材料溶液为镍盐、钴盐和锰盐的混合盐溶液,壳材料溶液为钴盐溶液,第二锂源为铌酸锂本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种正极材料,其特征在于,所述正极材料为表面具有包覆层的核壳结构,所述核壳结构包括内核和包覆于所述内核表面的壳层,所述内核的材质为镍钴锰酸锂,所述壳层的材质为钴酸锂,所述包覆层的材质为铌酸锂和/或钛酸锂。/n

【技术特征摘要】
1.一种正极材料,其特征在于,所述正极材料为表面具有包覆层的核壳结构,所述核壳结构包括内核和包覆于所述内核表面的壳层,所述内核的材质为镍钴锰酸锂,所述壳层的材质为钴酸锂,所述包覆层的材质为铌酸锂和/或钛酸锂。


2.根据权利要求1所述的正极材料,其特征在于,所述核层中的镍钴锰元素与所述壳层中的钴元素的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.35。


3.根据权利要求2所述的正极材料,其特征在于,所述核层中的镍钴锰元素与所述壳层中的钴元素的摩尔比为(1-x):x,0.05≤x≤0.15。


4.根据权利要求1所述的正极材料,其特征在于,所述正极材料中,所述包覆层的质量百分比为1%~5%。


5.根据权利要求1~4任一项所述的正极材料,其特征在于,所述镍钴锰酸锂的化学式为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。


6.一种正极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘学良夏良俊王耐清徐海平刘昆林涛李世达王翔
申请(专利权)人:桑顿新能源科技有限公司
类型:发明
国别省市:湖南;43

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