氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法。该氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，包括三元正极材料基体和包覆层，包覆层由氮化物和石墨化碳组成，且石墨化碳在氮化物的包覆过程中原位形成。本发明专利技术在三元正极材料表层包覆氮化物的过程中，原位生成了石墨化碳层结构，相比较物理混合的方法，原位生成的碳层与基体材料连接更加紧密，导电网络更加密集，从而最大限度提升材料倍率性能；该三元正极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性，其制备方法工艺流程简单，易于实现工业化生产。易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种新型的能源储存和转化装置，凭借其工作电压高、能量密度大、库伦效率高、无记忆效应、循环寿命长和对环境影响友好等优点，广泛应用于便携式消费电子设备、新能源汽车和储能电网等领域。锂离子电池的正极材料决定着电池的综合性能，在目前主流正极材料中，三元正极材料LiNi
x
Co
y
M1‑
x
‑
y
O2(M＝Mn或Al)由于具有较高能量/功率密度和低温性能，因此成为了研究重点。
[0003]随着三元材料中Ni含量的提高，材料容量上升，但其结构稳定性变差，究其原因是Ni
‑
O键键能较弱，晶体结构稳定性变差，尤其是充放电过程中，高活性的界面和电解液发生氧化还原反应，生成非活性岩盐相结构，造成电解液分解，同时释放大量热量，导致电芯胀气、安全性能下降、放电容量衰减以及循环稳定性恶化等一些列问题。目前解决这一问题的主要技术手段之一是进行包覆，包覆剂不仅能够有效避免高活性正极界面和电解液直接接触，缓解副反应发生，而且还能作为快离子导体，为锂离子扩散传输提供良好的通道，进而提升改善倍率性能。目前包覆剂主要有氧化物，如Al2O3、TiO2、ZrO2、B2O3、SiO2等，尽管该氧化物包覆剂能够改善上述界面稳定性问题，但氧化物大部分属于半导体，电子电导率较低，不能满足大电流充放电要求。相比较氧化物，氮化物具有更好的耐化学腐蚀性，更加优异的电子电导率和热稳定性，作为包覆剂能够更大限度提升三元材料电性能。
[0004]目前存在的氮化物包覆技术中，如中国专利技术专利CN113097459A所公开内容，采用气相沉积包覆方法，该气相反应流程复杂，不易规模化生产。中国专利技术专利CN112174222A所公开的方法中将待包覆三元正极材料和钛源、含氮化合物进行一步法混合烧结，制备氮化钛包覆三元正极材料，尽管该方法过程简便，便于工业化生产，但在制备过程中，含氮化合物的还原性气体会存在直接与三元材料反应的可能性，从而破坏三元正极主体材料晶格结构，影响材料电性能发挥。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，有必要提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法，用以解决现有技术中气相沉积包覆法工艺流程复杂，一步法混合烧结法容易破坏三元正极主体材料晶格结构、影响材料性能的技术问题。
[0006]本专利技术的第一方面提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，包括三元正极材料基体和包覆层，包覆层由氮化物和石墨化碳组成，且石墨化碳在氮化物的包覆过程中原位形成。
[0007]本专利技术的第二方面提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]提供三元正极材料基体；
[0009]通过湿法包覆使包覆元素包覆于三元正极材料基体表面获得中间产物；其中，包覆元素为Al、Si、Ti、Zr、Ta、Nb中的一种或多种；
[0010]将中间产物与含碳氮化合物混合均匀，经烧结、粉碎、过筛和除铁，得到氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0012]本专利技术在三元正极材料表层包覆氮化物的过程中，原位生成了石墨化碳层结构，相比较物理混合的方法，原位生成的碳层与基体材料连接更加紧密，导电网络更加密集，从而最大限度提升材料倍率性能；该三元正极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性，其制备方法工艺流程简单，易于实现工业化生产。
具体实施方式
[0013]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0014]本专利技术的第一方面提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，包括三元正极材料基体和包覆层，包覆层由氮化物和石墨化碳组成，且石墨化碳在氮化物的包覆过程中原位形成。与无定形碳相比，石墨化碳材料的导电性更好，更有利于提高倍率性能。
[0015]本专利技术中，三元正极材料基体为镍钴锰三元正极材料或镍钴铝三元正极材料中的一种或多种，其结构式为LiNi
x
Co
y
M1‑
x
‑
y
O2(M＝Mn或Al)。在本专利技术的一些具体实施方式中，x≥0.8。
[0016]本专利技术中，氮化物为氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化锆、氮化钽、氮化铌中的一种或多种。
[0017]本专利技术中，包覆层的厚度为1～100nm。
[0018]本专利技术的第二方面提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019]S1、提供三元正极材料基体；
[0020]S2、通过湿法包覆使包覆元素包覆于三元正极材料基体表面获得中间产物；其中，包覆元素为Al、Si、Ti、Zr、Ta、Nb中的一种或多种；
[0021]S3、将中间产物与含碳氮化合物混合均匀，经烧结、粉碎、过筛和除铁，得到氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料。
[0022]本专利技术通过含碳氮化合物中的氮元素在高温环境中与中间产物表层包覆的过渡金属氧化物反应，生产过渡金属氮化物，同时碳元素在过渡金属的催化石墨化作用下，原位生成石墨化碳纳米片，最终形成了氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料。
[0023]本专利技术中，提供三元正极材料基体的步骤具体为：将三元正极材料前驱体和锂源混合均匀后经煅烧、粉碎、过筛得到三元正极材料基体。
[0024]进一步地，三元正极材料前驱体为镍钴锰或镍钴铝的氧化物、氢氧化物、羟基氧化物中的一种或多种；锂源为碳酸锂、氧化锂和氢氧化锂中的一种或几种的混合；三元正极材料前驱体与锂源的摩尔比为1：1～1.15；通过高混机将三元正极材料前驱体和锂源混合均
匀；高混机转速为100～1500rpm，进一步为1000rpm，混合处理时间为0.5～5h，进一步为1h；煅烧在氧气气氛下进行，通入氧气气氛的体积浓度≥99％，煅烧温度为500～1200℃，进一步为650～850℃，更进一步为750℃；煅烧时间5～24h，进一步为10～14h，更进一步为12h。
[0025]进一步地，三元正极材料基体的制备过程中，还加入掺杂剂以提高正极材料的结构稳定性。例如，掺杂剂可以为二氧化锆、三氧化铝、二氧化钛、氧化镁等，本专利技术对此不作限制。更进一步地，掺杂剂与三元正极材料前驱体的摩尔比0.0001～0.1：1。
[0026]本专利技术中，包覆元素与三元正极材料基体的质量比为0.0001～0.005：1，进一步为0.0004～0.003:1，更进一步为0.0008～0.001:1。
[0027]本专利技术中，湿法包覆的步骤具体为：
[0028]将三元正极材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，其特征在于，包括三元正极材料基体和包覆层，包覆层由氮化物和石墨化碳组成，且石墨化碳在氮化物的包覆过程中原位形成。2.根据权利要求1所述氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，其特征在于，所述氮化物为氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化锆、氮化钽、氮化铌中的一种或多种；所述包覆层的厚度为1～100nm。3.一种如权利要求1～2中任一项所述氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供三元正极材料基体；通过湿法包覆使包覆元素包覆于三元正极材料基体表面获得中间产物；其中，所述包覆元素为Al、Si、Ti、Zr、Ta、Nb中的一种或多种；将所述中间产物与含碳氮化合物混合均匀，经烧结、粉碎、过筛和除铁，得到氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料；其中，烧结的气氛为惰性气体。4.根据权利要求3所述氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料的制备方法，其特征在于，所述包覆元素与三元正极材料基体的质量比为0.0001～0.005：1。5.根据权利要求3所述氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：许开华，何锐，丁卫丰，张云河，张翔，张坤，
申请(专利权)人：格林美湖北新能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：