一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术实施例涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，锂离子电池正极材料包括：正极材料颗粒，以及正极材料的修饰材料和/或修饰材料构成的修饰层；其中修饰层包括晶粒修饰层和正极材料修饰层；正极材料颗粒包括一次颗粒和/或二次颗粒；一次颗粒由一个或多个晶粒构成，二次颗粒由多个一次颗粒团聚构成；修饰材料存在于所述晶粒内部；晶粒修饰层存在于晶界处和/或包覆在晶粒的外表面；晶粒修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0‑100nm范围内；正极材料修饰层存在于正极材料颗粒的外表面；正极材料修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0‑200nm范围内。

【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
本专利技术涉及半导体材料
，尤其涉及锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
电动汽车、消费电子及储能领域的快速发展对锂离子电池的性能提出了更高的要求，能量密度更高、使用寿命更长、安全性能更加优异的锂离子电池是未来二次电池领域重要的发展方向。在电池的发展过程中，正极材料对其性能的影响至关重要。目前，对传统锂离子电池正极材料进行改性，在保证其安全性及稳定性的前提下，将正极材料充电至更高的电压、提供更多的容量是高能量密度锂离子电池发展的重要技术路线。然而，将正极材料充电至更高电压或脱出更多的锂离子后，材料会出现晶体结构破坏、颗粒结构破坏、气体析出、过渡金属溶解、表界面副反应增加等不良后果，导致材料出现容量衰减、电化学性能变差、安全性能降低等失效现象。掺杂或表面包覆是对材料改性最为简单有效的方法，目前，工业方法对材料的改性具有掺杂元素种类多、含量少的特点，当前业内对于非均匀、多尺度的掺杂改性方法的研究相对较少，产业内也没有提出通过此方法进行材料的性能改善。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂离子电池正极材料及其制备方法和应用，能够改善正极材料的性能及稳定性。为此，第一方面，本专利技术实施例提供了一种锂离子电池正极材料，所述锂离子电池正极材料包括：正极材料颗粒，以及正极材料的修饰材料和/或所述修饰材料构成的修饰层；其中所述修饰层包括晶粒修饰层和正极材料修饰层；所述正极材料颗粒包括一次颗粒和/或二次颗粒；所述一次颗粒由一个或多个晶粒构成，所述二次颗粒由多个一次颗粒团聚构成；所述修饰材料存在于所述晶粒内部；所述晶粒修饰层存在于晶界处和/或包覆在晶粒的外表面；所述晶粒修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-100nm范围内；所述正极材料修饰层存在于所述正极材料颗粒的外表面；所述正极材料修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-200nm范围内。优选的，所述正极材料颗粒内部还具有掺杂元素，所述掺杂元素在所述正极材料颗粒的材料体相中的掺杂呈均匀分布或呈梯度分布，或者以第二相的形式与所述正极材料颗粒共存；所述掺杂元素在所述正极材料中按照质量比的掺杂浓度在0-1％范围内。优选的，所述正极材料颗粒包括六方层状氧化物钴酸锂、石榴石结构的磷酸铁锂、立方尖晶石结构的锰酸锂及镍锰酸锂的中的一种或多种。优选的，所述一次颗粒的颗粒尺寸范围在1nm-10um之间；所述二次颗粒的颗粒尺寸范围在10nm-100um之间。优选的，所述修饰材料为含有B、Mg、Al、Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Ba、Hf、Ta、W、Sn、F、P、Na、K、Ce、S、N及镧系金属的一种或多种元素的化合物，所述元素的含量在所述正极材料中按照质量比占10ppm-1％；所述化合物包括所述元素的氧化物、氟化物、氯化物、硫化物或含锂化合物。优选的，所述正极材料修饰层存在于所述正极材料颗粒的外表面的具体形态还包括：所述修饰材料部分取代正极材料颗粒表面0-100nm深度的原子位置，所述正极材料颗粒的材料结构保持不变，或者在取代位置所在区域形成新相。优选的，所述晶粒修饰层存在于晶界处和/或包覆在晶粒的外表面的具体形态还包括：所述修饰材料部分取代晶粒外表面0-100nm深度的原子位置，所述晶粒的材料结构保持不变，或者在取代位置所在区域形成新相。第二方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的锂离子电池正极材料的制备方法，所述方法包括：将正极材料或者正极材料的前驱体与修饰材料或修饰材料的前驱体混合后进行烧结；所述烧结包括一次烧结或多次烧结；所述烧结的过程在空气、氩气、氧气、氮气、氢气中的一种或者多种的混合气氛中进行，烧结温度为200℃-1200℃；其中，所述正极材料包括：六方层状氧化物钴酸锂、石榴石结构的磷酸铁锂、立方尖晶石结构的锰酸锂及镍锰酸锂的中的一种或多种；所述修饰材料为含有B、Mg、Al、Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Ba、Hf、Ta、W、Sn、F、P、Na、K、Ce、S、N及镧系金属中的一种或多种的氧化物、氢氧化物、氟化物、氯化物、硫化物、碳酸盐、有机盐及含锂化合物。第三方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述第一方面所述的锂离子电池正极材料。本专利技术实施例提供的锂离子电池正极材料，利用修饰材料在正极材料颗粒层面进行多尺度的分布，使修饰材料存在于正极材料颗粒的外表面、晶界、一次颗粒或体相结构中，共同提高材料的使用性能。本申请锂离子电池正极材料的制备方法简单易行，能够应用到大规模生产中。附图说明图1为本专利技术实施例提供的锂离子电池正极材料的结构示意图；图2为本专利技术实施例1提供的Ti、Mg、Al共同修饰的LiCoO2正极材料的三维元素分布示意图；图3为本专利技术实施例1提供的Ti、Mg、Al共同修饰的LiCoO2材料的电化学性能与LiCoO2材料原始样品的电化学循环性能对比图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。本专利技术实施例提供了一种锂离子电池正极材料，包括：正极材料颗粒，以及正极材料的修饰材料和/或修饰材料构成的修饰层；其中修饰层包括晶粒修饰层和正极材料修饰层；正极材料颗粒包括一次颗粒和/或二次颗粒；一次颗粒由一个或多个晶粒构成，二次颗粒由多个一次颗粒团聚构成；其中，一次颗粒的颗粒尺寸范围在1nm-10um之间；所述二次颗粒的颗粒尺寸范围在10nm-100um之间。修饰材料为含有B、Mg、Al、Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Ba、Hf、Ta、W、Sn、F、P、Na、K、Ce、S、N及镧系金属的一种或多种元素的化合物，其中元素的含量在正极材料中按照质量比占10ppm-1％，优选为小于0.5％；化合物包括元素的氧化物、氟化物、氯化物、硫化物或含锂化合物。修饰材料存在于所述晶粒内部；晶粒修饰层存在于晶界处和/或包覆在晶粒的外表面；晶粒修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-100nm范围内；正极材料修饰层存在于正极材料颗粒的外表面；正极材料修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-200nm范围内。在可选的方案中，正极材料颗粒内部还可以具有掺杂元素，掺杂元素在正极材料颗粒的材料体相中的掺杂呈均匀分布或呈梯度分布，或者以第二相的形式与正极材料颗粒共存；掺杂元素在正极材料中按照质量比的掺杂浓度在0-1％范围内。正极材料颗粒可以包括六方层状氧化物钴酸锂、石榴石结构的磷酸铁锂、立方尖晶石结构的锰酸锂及镍锰酸锂的中的一种或多种。正极材料修饰层存在于正极材料颗粒的外表面的具体形态还包括：修饰材料部分取代正极材料颗粒表面0-100nm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包括：正极材料颗粒，以及正极材料的修饰材料和/或所述修饰材料构成的修饰层；其中所述修饰层包括晶粒修饰层和正极材料修饰层；/n所述正极材料颗粒包括一次颗粒和/或二次颗粒；所述一次颗粒由一个或多个晶粒构成，所述二次颗粒由多个一次颗粒团聚构成；/n所述修饰材料存在于所述晶粒内部；/n所述晶粒修饰层存在于晶界处和/或包覆在晶粒的外表面；所述晶粒修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-100nm范围内；/n所述正极材料修饰层存在于所述正极材料颗粒的外表面；所述正极材料修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-200nm范围内。/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包括：正极材料颗粒，以及正极材料的修饰材料和/或所述修饰材料构成的修饰层；其中所述修饰层包括晶粒修饰层和正极材料修饰层；
所述正极材料颗粒包括一次颗粒和/或二次颗粒；所述一次颗粒由一个或多个晶粒构成，所述二次颗粒由多个一次颗粒团聚构成；
所述修饰材料存在于所述晶粒内部；
所述晶粒修饰层存在于晶界处和/或包覆在晶粒的外表面；所述晶粒修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-100nm范围内；
所述正极材料修饰层存在于所述正极材料颗粒的外表面；所述正极材料修饰层为连续致密的层状修饰层或均匀或非均匀分布的岛状修饰层，厚度在0-200nm范围内。


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，所述正极材料颗粒内部还具有掺杂元素，所述掺杂元素在所述正极材料颗粒的材料体相中的掺杂呈均匀分布或呈梯度分布，或者以第二相的形式与所述正极材料颗粒共存；所述掺杂元素在所述正极材料中按照质量比的掺杂浓度在0-1％范围内。


3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述正极材料颗粒包括六方层状氧化物钴酸锂、石榴石结构的磷酸铁锂、立方尖晶石结构的锰酸锂及镍锰酸锂的中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述一次颗粒的颗粒尺寸范围在1nm-10um之间；所述二次颗粒的颗粒尺寸范围在10nm-100um之间。


5.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料，其特征在于，所述修饰材料为含有B、Mg、Al、Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Ba、Hf、Ta、W、Sn、F、P、Na、K、Ce、S、N及镧系金属的一种或多种元素的化合物，所述元素的含量在所述正极材料中按照质量比占10ppm-1％；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张杰男，禹习谦，李泓，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11