石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了石墨烯包覆‑阴阳离子共掺杂的三元正极材料及其制备方法和应用。其中，石墨烯包覆‑阴阳离子共掺杂的三元正极材料包括：内核和石墨烯层，其中，所述内核具有如式(I)所示的组成，LiNi

【技术实现步骤摘要】
石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂电池正极材料领域，具体而言，本专利技术涉及石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着科技的不断进步，为了满足电动汽车、数码电子产品、军事和航天等领域对电池能量密度日益增长的需求，正极材料的选择愈来愈局限，高镍正极材料被认为是满足高能量密度要求的最佳选择。随着镍含量的不断提高，其结构稳定性愈来愈差。在充电过程中，过渡金属的迁移和不可逆的转变，使电池产生大的首次不可逆容量的损失，导致电池的倍率性能和循环稳定性下降。通过包覆、掺杂等手段来改善材料的倍率性能和循环性能是有效的手段。然而，现有的包覆、掺杂的正极材料仍有改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料及其制备方法和应用。该三元正极材料通过采用阴阳离子共掺杂以及外表面石墨烯包覆，可以显著提高其制成的锂电池的倍率性能和循环性能。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料。根据本专利技术的实施例，该三元正极材料包括：内核和石墨烯层，其中，所述内核具有如式(I)所示的组成，LiNi0.5Co0.2Mn0.3-yMyO2-2xN2x；(I)式(I)中，0.01≤x≤0.05，0.01≤y≤0.05，M选自Al、Mg、Zn中的至少之一，N选自F、Cl、Br中的至少之一；所述石墨烯层形成在所述内核的至少部分表面。根据本专利技术上述实施例的三元正极材料，其内核为阴阳离子(M、N)共掺杂的镍钴锰三元正极材料，内核的外表面包覆有石墨烯层。该三元正极材料通过采用阴阳离子共掺杂以及外表面石墨烯包覆，可以显著提高其制成的锂电池的倍率性能和循环性能。另外，根据本专利技术上述实施例的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述石墨烯层的质量为所述内核质量的0.1～2％。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种制备上述实施例的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将镍盐、钴盐、锰盐、M盐与水混合，得到金属盐溶液；其中，所述镍盐、所述钴盐、所述锰盐、所述M盐的摩尔比为5:2-y:3:y，0.01≤y≤0.05；将沉淀剂与水混合，得到沉淀剂溶液；将所述金属盐溶液加入到所述沉淀剂溶液中并进行沉淀反应，得到阳离子掺杂的三元正极材料前驱体；将所述阳离子掺杂的三元正极材料前驱体与锂源和N源混合，并在氧化性气氛中进行第一煅烧处理，得到阴阳离子共掺杂的三元正极材料；将所述阴阳离子共掺杂的三元正极材料与石墨烯混合，并在惰性气氛中进行第二煅烧处理，得到所述石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料。由此，根据本专利技术上述实施例的方法，首先在沉淀反应制备三元正极材料前驱体的过程中将M元素(选自Al、Mg、Zn中的至少之一)引入，然后在向前驱体中引入锂的过程中，同时引入N元素(选自F、Cl、Br中的至少之一)，从而完成三元正极材料内核的阴阳离子共掺杂。进而，通过将阴阳离子共掺杂的三元正极材料与石墨烯混合并进行煅烧，即可在三元正极材料的外表面形成石墨烯包覆层。该方法简便、高效，易于产业化，且制备得到的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料可以显著提高其制成的锂电池的倍率性能和循环性能。另外，根据本专利技术上述实施例的制备石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述镍盐、所述钴盐、所述锰盐分别独立地为硝酸盐、硫酸盐或乙酸盐。在本专利技术的一些实施例中，所述M盐为硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐或盐酸盐。在本专利技术的一些实施例中，所述沉淀剂选自碳酸氢钠、草酸钠、草酸中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，所述沉淀反应中，金属盐与沉淀剂的摩尔比为1:(3～5)。在本专利技术的一些实施例中，所述锂源选自碳酸锂、氢氧化锂、乙酸锂中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，所述N源选自氟化锂、氯化锂、溴化锂中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，所述阳离子掺杂的三元正极材料前驱体与所述锂源的摩尔比为1:(1.02～1.05)。在本专利技术的一些实施例中，所述第一煅烧处理在500～850℃下进行8～15h完成。在本专利技术的一些实施例中，所述阴阳离子共掺杂的三元正极材料与所述石墨烯的质量比为1:(0.005～0.05)。在本专利技术的一些实施例中，所述第二煅烧处理在500～800℃下进行3～15h完成。在本专利技术的再一方面，本专利技术提出了一种锂电池。根据本专利技术的实施例，该锂电池包括：包括上述实施例的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料，或者上述实施例的方法制备得到的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料。由此，该锂电池具有前文针对石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料所描述的全部特征和优点，在此不再一一赘述。总得来说，该锂电池具有优秀的倍率性能和循环性能。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的制备石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料的方法流程示意图；图2是实施例1、对比例1～4中制备的三元正极材料的倍率性能测试结果图；图3是实施例1、对比例1～4中制备的三元正极材料的循环性能测试结果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料。根据本专利技术的实施例，该三元正极材料包括：内核和石墨烯层，其中，内核具有如式(I)所示的组成，LiNi0.5Co0.2Mn0.3-yMyO2-2xN2x；(I)式(I)中，0.01≤x≤0.05，0.01≤y≤0.05，M可以选自Al、Mg、Zn中的至少之一，N可以选自F、Cl、Br中的至少之一。具体的，x可以为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05等，y可以为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05等。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料，其特征在于，包括：内核和石墨烯层，其中，/n所述内核具有如式(I)所示的组成，/nLiNi

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料，其特征在于，包括：内核和石墨烯层，其中，
所述内核具有如式(I)所示的组成，
LiNi0.5Co0.2Mn0.3-yMyO2-2xN2x；(I)
式(I)中，0.01≤x≤0.05，0.01≤y≤0.05，M选自Al、Mg、Zn中的至少之一，N选自F、Cl、Br中的至少之一；
所述石墨烯层形成在所述内核的至少部分表面。


2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料，其特征在于，所述石墨烯层的质量为所述内核质量的0.1～2％。


3.一种制备权利要求1或2所述的石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料的方法，其特征在于，包括：
将镍盐、钴盐、锰盐、M盐与水混合，得到金属盐溶液；其中，所述镍盐、所述钴盐、所述锰盐、所述M盐的摩尔比为5:2-y:3:y，0.01≤y≤0.05；
将沉淀剂与水混合，得到沉淀剂溶液；
将所述金属盐溶液加入到所述沉淀剂溶液中并进行沉淀反应，得到阳离子掺杂的三元正极材料前驱体；
将所述阳离子掺杂的三元正极材料前驱体与锂源和N源混合，并在氧化性气氛中进行第一煅烧处理，得到阴阳离子共掺杂的三元正极材料；
将所述阴阳离子共掺杂的三元正极材料与石墨烯混合，并在惰性气氛中进行第二煅烧处理，得到所述石墨烯包覆-阴阳离子共掺杂的三元正极材料。

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永辉，姜茜茜，齐士博，吕豪杰，吴光麟，
申请(专利权)人：昆山宝创新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32