四元正极材料、正极、电池制造技术

本发明专利技术公开了四元正极材料、正极、电池。具体的，本发明专利技术提出了一种四元正极材料，四元正极材料的化学结构通式为：Li

Quaternary cathode material, cathode and battery

【技术实现步骤摘要】
四元正极材料、正极、电池
本专利技术涉及电池
，具体地，涉及四元正极材料、正极、电池。
技术介绍
目前，锂离子电池因其电压稳定、比容量高、能量密度大、循环寿命长、环境友好等优势，被广泛应用于摄像机、移动电话、笔记本电脑、电动交通工具等设备上。其中，决定其性能的关键因素是锂离子电池的正极材料。在高能量型锂离子二次电池中，所使用的正极材料包括尖晶石结构的LiMn2O4、层状结构的LiCoO2和LiNiO2等。其中，层状结构的LiNiO2作为正极材料的锂离子二次电池因其较高的充放电比容量备受关注。但是，LiNiO2正极材料在反复脱锂(即反复充放电)过程中，结晶结构不稳定，循环寿命低。因此，目前通常将LiNiO2中的部分Ni用Co、Al和/或Mn取代，得到高镍三元正极材料或四元正极材料，例如LiNiO2中的部分Ni被Co、Al、Mn共同取代可以得到四元正极材料NCMA，该四元正极材料既保持了高比容量特性，还能提高结晶结构的稳定性，从而可以提高采用该四元正极材料的电池的循环寿命和热稳定性，提高该电池的电池比容量和循环寿命。然而，目前的四元正极材料、正极、电池仍有待改进。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识作出的：目前，LiNiO2中的部分Ni被Co、Al、Mn共同取代得到的四元正极材料，仍然存在结构稳定性较差、使用该四元正极材料作为正极的电池的循环稳定性、使用寿命和使用安全性较差的问题。因此，如果能提出一种新的四元正极材料，该四元正极材料的结构稳定性可以更好，并且具有较好的层状晶体结构，将能较好地提高使用该四元正极材料的电池的循环稳定性、热稳定性和电池比容量，将能在很大程度上解决上述问题。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种四元正极材料。根据本专利技术的实施例，该四元正极材料的化学结构通式为：LixNiaCobMncAldMyO2，其中，1≤x≤1.05，0＜y≤0.025，0.3≤a≤0.95，0.03≤b≤0.1，0.01≤c≤0.05，0.01≤d≤0.05，且a+b+c+d＝1；M为掺杂剂，所述M包括选自Zr、Al、B、Ti、Mg、Nb、Ba、Si、P、W、Sr、F中的一种或多种；所述四元正极材料具有α-NaFeO2型晶体结构，所述四元正极材料的X-射线衍射图案的空间群为R-3m，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a之间的关系满足：c/a＞4.943。由此，掺杂剂可以抑制阳离子混排，可以较好地提高该四元正极材料的结构稳定性，并且该四元正极材料的c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a之间满足上述关系时，该四元正极材料具有较好的层状晶体结构，结构稳定性较好，可以提高使用该四元正极材料的电池的循环稳定性和热稳定性，提高该电池的电池比容量和循环寿命。根据本专利技术的实施例，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a之间的关系满足：3a+5.555≤c≤3a+5.590。由此，c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a之间满足上述关系时，该四元正极材料具有较好的层状晶体结构，锂离子比较容易在该层状结构中进行扩散，可以提高使用该四元正极材料的电池的放电比容量。根据本专利技术的实施例，所述a轴的晶胞参数a的数值范围为2.80-2.90，所述c轴晶胞参数c的数值范围为14.10-14.30。由此，c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a在上述范围时，进一步提高了使用该四元正极材料的电池的放电比容量和循环寿命。根据本专利技术的实施例，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，I102面、I006面和I101面的衍射峰强度满足下列关系：R＝(I102+I006)/I101，且0.4≤R≤0.44。由此，R值在上述范围时，该四元正极材料的六方晶体结构的有序性较高，不仅有利于锂离子在该晶体结构中的脱嵌，也能提高该四元正极材料的结构稳定性和热稳定性，从而提高使用该四元正极材料的电池的放电比容量和循环寿命。根据本专利技术的实施例，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，I003面和I104面的衍射峰强度满足下列关系：1.921＜I003/I104≤2。由此，I003面和I104面的衍射峰强度满足上述关系时，该四元正极材料中锂离子和镍离子的混排较少，该四元正极材料的结构稳定性较高，使用该四元正极材料的电池的循环稳定性较好，循环寿命较长。根据本专利技术的实施例，所述四元正极材料中，所述掺杂剂的质量分数为3000-8000ppm。由此，掺杂剂的含量在上述范围时，可以较好地提高四元正极材料的结构稳定性，并且不会降低使用该四元正极材料的电池的放电比容量。根据本专利技术的实施例，所述掺杂剂由Al、Mg和Zr组成。由此，由Al、Mg和Zr共掺杂形成的四元正极材料中，掺杂的锆可以进入该四元正极材料的过渡金属层，稳定其六方结构；掺杂的铝可以进入该四元正极材料基体的表层锂层中，进而可以较好地支撑锂层，在高电压充放电过程中，锂离子大量嵌出时，该掺杂的铝可以保持锂层晶格结构的稳定性；掺杂的镁可以使该四元正极材料中的过渡金属离子的价态升高或降低，进而可以产生空穴或电子，改变该四元正极材料的能带结构，从而提高其本征电子导电率；并且掺杂的铝和镁还能抑制Li+和Ni2+的混排，可以保留更多可逆的锂位置，从而提高了使用该四元正极材料的电池的可逆放电比容量；因此，铝、镁和锆共掺杂可以较好地提高四元正极材料的结构稳定性，可以提高使用该四元正极材料的电池的循环稳定性和热稳定性，提高该电池在高电压倍率下的电池比容量，使用该四元正极材料的电池性能良好。根据本专利技术的实施例，所述四元正极材料中，掺杂剂Al的质量分数为2500-3500ppm，掺杂剂Mg的质量分数为300-500ppm，掺杂剂Zr的质量分数为2500-3500ppm。由此，掺杂剂的含量在上述范围时，可以较好地提高四元正极材料的结构稳定性，并且不会降低使用该四元正极材料的电池的放电比容量，有利于提高使用该四元正极材料的电池的综合性能。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种正极。根据本专利技术的实施例，所述正极包括前面任一项所述的四元正极材料。由此，该正极具有前面任一项所述的四元正极材料所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该正极结构稳定，且具有较佳的循环性能以及倍率性能。在本专利技术的又一方面，本专利技术提出了一种电池。根据本专利技术的实施例，该电池包括：前面所述的正极；负极；隔膜，所述隔膜设置在所述正极与所述负极之间；电解液，所述正极的至少一部分、所述负极的至少一部分以及所述隔膜的至少一部分浸没在所述电解液中。由此，该电池具有前面所述的正极所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电池具有良好的循环稳定性和热稳定性，该电池在高电压倍率下具有较高的电池比容量。具体实施方式在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种四元正极材料。根据本专利技术的实施例，该四元正极材料的化学结构通式为：LixNiaCobMncAldMyO2，其中，1≤x≤1.05，0＜y≤0.025，0.3≤a≤0.95，0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四元正极材料，其特征在于，所述四元正极材料的化学结构通式为：Li

【技术特征摘要】
1.一种四元正极材料，其特征在于，所述四元正极材料的化学结构通式为：LixNiaCobMncAldMyO2，其中，1≤x≤1.05，0＜y≤0.025，0.3≤a≤0.95，0.03≤b≤0.1，0.01≤c≤0.05，0.01≤d≤0.05，且a+b+c+d＝1；
M为掺杂剂，所述M包括选自Zr、Al、B、Ti、Mg、Nb、Ba、Si、P、W、Sr、F中的一种或多种；
所述四元正极材料具有α-NaFeO2型晶体结构，所述四元正极材料的X-射线衍射图案的空间群为R-3m，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a之间的关系满足：c/a＞4.943。


2.根据权利要求1所述的四元正极材料，其特征在于，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，c轴的晶胞参数c和a轴的晶胞参数a之间的关系满足：3a+5.555≤c≤3a+5.590。


3.根据权利要求2所述的四元正极材料，其特征在于，所述a轴的晶胞参数a的数值范围为2.80-2.90，所述c轴晶胞参数c的数值范围为14.10-14.30。


4.根据权利要求1所述的四元正极材料，其特征在于，所述四元正极材料的X-射线衍射图案中，I102面、I006面和...

【专利技术属性】
技术研发人员：白艳，张树涛，潘海龙，王壮，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32