一种P2-O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料及其制备方法和应用技术

一种P2

【技术实现步骤摘要】
一种P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电化学锂离子电池
，主要涉及一种P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池凭借其长循环寿命、高能量密度及高功率密度的优点在近10年的飞速发展中已经广泛运用在消费类电子设备、电动交通工具、航海、航空航天以及大型储能设备中。然而，在这个快速充电技术盛行的时代背景下，各类运用也对锂离子电池提出了低成本、安全、更长循环寿命、更高的容量密度和能量密度的要求。正极材料作为锂离子的提供者，很大程度决定了电池的容量以及能量密度。因此，探索稳定的高容量高能量密度的正极材料是如今锂离子电池领域研究的重点。
[0003]O3相富锂锰基氧化物的化学式为xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2，其中Li2MnO3归属于空间群C2/m，LiMO2归属于空间群其凭借阴离子和阳离子的氧化还原行为可以发挥出>250mgh/g的放电容量，是现阶段已知的理论容量最高的层状正极材料，也是实现电池单体能量密度达到330Wh/kg最有希望的材料。但是该材料也面临着首圈库伦效率低(<80％)，循环稳定性以及倍率性能差等问题，这使得该材料在动力电池领域的商业化进程受阻。因此，开发一种首圈库伦效率高，且循环性能稳定且有利于大倍率循环的富锂锰基氧化物是十分必要的。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于设计提供一种易于工业化生产并且生产成本低、工艺简单的P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料及其制备方法。本专利技术所述的O3相的富锂锰基材料复合P2相的层状氧化物后，由于P2相的层状氧化物中存在的金属离子空位可以额外存储锂离子，且具有高效的锂离子扩散通道，使得这种P2
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O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料的首圈库伦效率达到92.3％以上，且循环稳定性以及大倍率性能明显提升。
[0005]一种P2
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O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料，其特征在于所述材料包括O3相富锂锰基氧化物以及与其复合的P2相层状氧化物，所述P2相占所述材料的质量分数百分比为0.1～20wt％，优选为5～10wt％，所述的P2相分布在在所述的O3相晶粒外侧。
[0006]所述的P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料，其特征在于所述O3相富锂锰基氧化物的化学式为xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2，其中0＜x＜1，所述M包含Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、In、Sn、Ta、W和Ir中的任意一种或至少两种的组合，所述Li2MnO3归属于空间群C2/m，LiMO2归属于空间群所述O3相富锂锰基氧化物中，O代表了其中Li离子占据晶格中氧堆积的八面体位置，3代表了O最少重复单元的堆垛层
数为3，即ABCABC
…
；
[0007]所述P2相层状氧化物的化学式为A
y
[Mn
z
TM1‑
z
]O2，其中0.35≤y≤1.0，0.5≤z≤1.0，A包含Na或K，TM包含Li、Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo和W中的任意一种或至少两种的组合，所述A
y
[Mn
z
TM1‑
z
]O2或A
y
Mn
z
O2归属于空间群P63/mmc；所述P2相层状氧化物中，P代表了其中A离子占据晶格中氧堆积的三棱柱位置，2代表了P最少重复单元的堆垛层数为2，即ABBA
…
。
[0008]所述的P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料，其特征在于所述复合的方式包括原位复合和非原位复合，所述原位复合具体为：将P2相层状氧化物的前驱体与O3相富锂锰基氧化物的前驱体共烧结得到，或将P2相层状氧化物的前驱体与O3相富锂锰基氧化物复合后烧结得到；所述非原位复合具体为：将两者通过球磨混合得到。
[0009]一种任一所述P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
[0010](1)将A的化合物，Mn的化合物以及TM的化合物加入溶剂中得到盐溶液，加入O3相富锂锰基氧化物，混合分散得到前驱体悬浊液；
[0011]或者将A的化合物，Mn的化合物加入溶剂中得到盐溶液，加入O3相富锂锰基氧化物，混合分散得到前驱体悬浊液；
[0012]其中A为Na或K，TM为Li、Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo和W中的任意一种或至少两种的组合；
[0013](2)将步骤(1)得到的前驱体悬浊液烘干后进行热处理，得到P2
‑
O3复合相富锂锰基材料。
[0014]所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)A的化合物中，当A为Na时，A的化合物包括Na2CO3、NaHCO3、NaOH、Na2O、Na2O2、乙酸钠、草酸钠、硝酸钠中的一种或多种；当A为K时，A的化合物包括K2CO3、KHCO3、KOH、K2O、乙酸钾、硝酸钾中的一种或多种；所述Mn的化合物包括碳酸锰、乙酸锰、MnO、Mn2O3、Mn3O4、MnO2中的一种或多种；所述TM的化合物中，当TM中包含Li时，TM的化合物包括醋酸锂、硝酸锂、氢氧化锂、草酸锂、碳酸锂中的一种或多种；当TM中包含Co时，TM的化合物包括碳酸钴、乙酸钴、Co3O4、Co2O3和CoO中的一种或多种；当TM中包含Ni时，TM的化合物包括碳酸镍、乙酸镍、NiO、Ni2O3中的一种或多种；当TM中包含Ti时，TM的化合物包括TiO2、草酸钛中的一种或多种；当TM中包含Al时，TM的化合物包括Al2O3、乙酸铝、草酸铝、氢氧化铝中的一种或多种；当TM中包含Fe时，TM的化合物包括FeO、Fe2O3、Fe3O4、Fe(OH)2、Fe(OH)3、草酸亚铁、乙酸铁中的一种或多种；当TM中包含Mg时，TM的化合物包括碳酸镁、乙酸镁、氢氧化镁、氧化镁、草酸镁、柠檬酸镁中的一种或多种；当TM中包含V时，TM的化合物包括V2O5、V2O4、NH4VO3中的一种或多种；当TM中包含Cr时，TM的化合物包括乙酸铬、CrO3、Cr2O3、硝酸铬、铬酸铵中的一种或多种；当TM中包含Cu时，TM的化合物包括柠檬酸铜、葡萄糖酸铜、硝酸铜、乙酸铜、碳酸铜、氧化亚铜中的一种或多种；当TM中包含Zn时，TM的化合物包括乙酸锌、ZnO、硝酸锌、ZnO2、柠檬酸锌、碱式碳酸锌中的一种或多种；当TM中包含Zr时，TM的化合物包括ZrO2、乙酸锆、ZrH2、氢氧化锆、硝酸氧锆、碳酸锆中的一种或多种；当TM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种P2
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O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料，其特征在于所述材料包括O3相富锂锰基氧化物以及与其复合的P2相层状氧化物，所述P2相占所述材料的质量分数百分比为0.1～20wt％，优选为5～10wt％，所述的P2相分布在在所述的O3相晶粒外侧。2.如权利要求1所述的P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料，其特征在于所述O3相富锂锰基氧化物的化学式为xLi2MnO3·
(1
‑
x)LiMO2，其中0＜x＜1，所述M包含Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、In、Sn、Ta、W和Ir中的任意一种或至少两种的组合，所述Li2MnO3归属于空间群C2/m，LiMO2归属于空间群所述O3相富锂锰基氧化物中，O代表了其中Li离子占据晶格中氧堆积的八面体位置，3代表了O最少重复单元的堆垛层数为3，即ABCABC
…
；所述P2相层状氧化物的化学式为A
y
[Mn
z
TM1‑
z
]O2，其中0.35≤y≤1.0，0.5≤z≤1.0，A包含Na或K，TM包含Li、Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo和W中的任意一种或至少两种的组合，所述A
y
[Mn
z
TM1‑
z
]O2或A
y
Mn
z
O2归属于空间群P63/mmc；所述P2相层状氧化物中，P代表了其中A离子占据晶格中氧堆积的三棱柱位置，2代表了P最少重复单元的堆垛层数为2，即ABBA
…
。3.如权利要求1所述的P2
‑
O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料，其特征在于所述复合的方式包括原位复合和非原位复合，所述原位复合具体为：将P2相层状氧化物的前驱体与O3相富锂锰基氧化物的前驱体共烧结得到，或将P2相层状氧化物的前驱体与O3相富锂锰基氧化物复合后烧结得到；所述非原位复合具体为：将两者通过球磨混合得到。4.一种如权利要求1
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3任一所述P2
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O3复合相富锂锰基锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将A的化合物，Mn的化合物以及TM的化合物加入溶剂中得到盐溶液，加入O3相富锂锰基氧化物，混合分散得到前驱体悬浊液；或者将A的化合物，Mn的化合物加入溶剂中得到盐溶液，加入O3相富锂锰基氧化物，混合分散得到前驱体悬浊液；其中A为Na或K，TM为Li、Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo和W中的任意一种或至少两种的组合；(2)将步骤(1)得到的前驱体悬浊液烘干后进行热处理，得到P2
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O3复合相富锂锰基材料。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵世玺，黄超，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：