一种电池层状正极材料及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种电池层状正极材料及其制备方法和应用。本申请的电池层状正极材料，其晶体结构中具有以钉扎的方式扎入晶体结构的表面界面层和体相层的异质相结构；该异质相结构均匀分布于晶体结构的表面，将晶体结构包覆其中，形成均匀的晶体表层。本申请的电池层状正极材料，其晶体结构中的异质相结构钉扎入晶体结构的各层状相，一方面，能够保障各层状相的稳定，解决晶体结构中各层滑移、坍塌、扭曲和微裂纹的问题；另一方面，异质相结构形成的晶体表层能够导电、导锂，且在界面起到隔离电解液的作用。本申请的电池层状正极材料，在大于4.3V的高电压下具有较高的容量、倍率和循环稳定性，在高电压充放电条件下表现出优异的电化学性能。化学性能。化学性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种电池层状正极材料及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及电池正极材料领域，特别是涉及一种电池层状正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着时代发展，人们对于能源需求的增加，导致能源短缺和环境恶化成为全球性的难题。
[0003]当前，化石燃料作为人类主要能源，在使用过程中产生大量的CO2等温室气体，使地球温度升高，生态环境恶化。基于此，中国提出了“碳达峰”和“碳中和”的国家战略，以实现国家能源利用方式从不可再生化石能源到可再生清洁能源的转变，如风能、太阳能等。这种转变给储能器件的开发及应用提出了机遇和挑战。
[0004]锂离子电池自问世以来，由于开路电压高、循环寿命长、功率密度高、自放电少、无记忆效用等优点，不仅在3C应用领域，包括手机、数码相机、笔记本电脑等方面显示出广阔应用前景，而且在电动汽车、无人机、电动船等应用领域也有较多应用。
[0005]锂离子电池的性能与电池用电极材料的选择、制备工艺及性能等密切相关。当前，钴酸锂LiCoO2和三元正极材料Li[Ni
x
Co
y
Mn1‑
x
‑
y
]O2(0&lt;x&lt;1，0&lt;y&lt;1)以高容量、高倍率和合成工艺简单等特性成为3C数码、无人机及电动车动力电源等锂电池的正极材料。这两类正极材料均为典型的层状结构，即过渡族金属层和锂层交替堆叠排列的晶体结构。这两类正极材料的层状结构在充放电过程中，伴随着循环往复的Li<br/>+
嵌入/脱出过程，过渡族金属层会发生滑移、层错、扭曲、甚至产生微裂纹，这种情况在高电压充放电过程中尤为严重。在循环往复的高电压充放电过程中，过渡族金属层的滑移、层错、扭曲及微裂纹的产生，导致界面结构坍塌、活性材料粉化、及高价态的活性Ni/Co离子导致界面副反应加剧等，最终导致电池内阻增加，容量快速衰减。
[0006]为解决以上问题，目前采取的比较有效的策略是在活性材料表面进行包覆处理，该界面包覆层一般具有高的离子电导，且能够有效隔绝电解液与活性材料的直接接触。虽然这些策略能够对抑制副反应、延缓内阻增加有帮助，但对于解决过渡族金属层滑移、坍塌、扭曲和微裂纹形成的问题，并无显著作用。
[0007]因此，如何有效解决过渡族金属层滑移、坍塌、扭曲和微裂纹形成，是从根本上解决电池层状正极材料容量快速衰减的关键，也是本领域的研究重点和难点。

技术实现思路

[0008]本申请的目的是提供一种改进的电池层状正极材料及其制备方法和应用。
[0009]本申请采用了以下技术方案：
[0010]本申请的一方面公开了一种电池层状正极材料，该电池层状正极材料的晶体结构中具有以钉扎的方式扎入晶体结构的表面界面层和体相层的异质相结构；该异质相结构均匀分布于晶体结构的表面，将晶体结构包覆其中，形成均匀的晶体表层。
[0011]需要说明的是，本申请的晶体结构表面具有异质相结构的电池层状正极材料，其界面的异质相以钉扎的方式扎入各层中，能够起到保障各层状相稳定的作用，从根本上解决电池层状正极材料各层滑移、坍塌、扭曲和微裂纹的问题；并且，异质相结构形成的包覆晶体结构的晶体表层能够隔离电解液，抑制界面副反应，解决电池层状正极材料容量快速衰减的问题。因此，本申请的电池层状正极材料极大的提高了层状正极材料的电化学性能，尤其是在高电压(＞4.3Vvs.Li/Li
+
)充放电条件下表现出优异的容量、倍率和循环稳定性。本申请中，所谓“异质相结构”是指，对电池层状正极材料的晶体结构的表面界面进行元素替换或掺杂形成的结构，即元素构成异于电池层状正极材料；本申请的一种实现方式中，这种“异质相结构”是电池层状正极材料的晶体结构的体相层晶格延伸形成的，与电池层状正极材料的晶体结构的体相层共晶格的尖晶石相或岩盐相结构。
[0012]还需要说明的是，本申请的电池层状正极材料，其异质相结构以钉扎的形式扎入晶体结构的体相各层和表面界面，还能够构筑形成三维的锂离子扩散网络，提高循环稳定性、容量和倍率性能。可以理解，本申请的晶体表层就是异质相结构均匀包覆晶体结构而形成的表面层；本申请的晶体表层是从微观的晶体结构水平形成的包覆在晶体结构表面的层，与现有的宏观的正极材料表面包覆修饰有本质区别。
[0013]本申请的一种实现方式中，异质相结构为尖晶石相或岩盐相结构。
[0014]需要说明的是，尖晶石相结构和岩盐相结构只是本申请的一种实现方式中具体形成的钉扎入晶体结构各层的异质相结构，不排除还可以是其他的异质相结构。
[0015]本申请的一种实现方式中，异质相结构是由电池层状正极材料的晶体结构的体相层按照其相同晶格外延生长到晶体结构的表面界面层而成，即异质相结构与晶体结构的体相层共晶格。
[0016]需要说明的是，共晶格的异质相结构只是本申请的一种实现方式中，由体相层的晶格外延生长而成，理论上来说，只要能够形成钉扎的异质相结构，不排除还可以是其他的非共晶格的方式。
[0017]本申请的一种实现方式中，晶体表层的厚度大于或等于10nm。
[0018]需要说明的是，本申请的晶体表层实际上就是异质相结构包覆晶体结构形成的位于晶体结构表面的微观结构层；因此，晶体表层的厚度，实际上就是钉扎的异质相结构扎入晶体结构各层的深度。为了确保异质相结构对各层状相的稳定作用，以及晶体表层对电解液的隔绝作用，本申请优选晶体表层的厚度不小于10nm。
[0019]本申请的一种实现方式中，电池层状正极材料为Li
1+x
TMO
2+y
，其中0≤x≤1，0≤y≤1，TM为Co、Mn、Ni和Al的至少一种。
[0020]需要说明的是，锂离子电池层状正极材料只是本申请的一种实现方式中具体试验的电池层状正极材料，按照本申请的专利技术构思，不排除还可以是其他的离子电池层状正极材料。可以理解，过渡金属为Co、Mn、Ni和Al中的至少一种，这些只是比较常见的锂离子电池层状正极材料，不排除还可以是其他的过渡金属。
[0021]本申请的一种实现方式中，电池层状正极材料为钴酸锂、高镍二元材料、高镍多元材料、富锂锰正极材料中的至少一种；其中，高镍是指镍含量大于或等于50％。
[0022]需要说明的是，本申请的二元材料和多元材料，是指含镍、钴、锰、铝等中的两种或多种的正极材料；即二元材料就是含其中两种的正极材料；多元材料即含其中两种以上的
正极材料，例如含其中三种，即三元材料。
[0023]本申请的一种实现方式中，电池层状正极材料为LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2、LiNi
0.5
Co
0.3
Mn
0.2
O2和LiCoO2中的至少一种。
[0024]可以理解，以上几种具体的电池层状正极材料只是本申请的一种实现方式中具体制备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电池层状正极材料，其特征在于：所述电池层状正极材料的晶体结构中具有以钉扎的方式扎入晶体结构的表面界面层和体相层的异质相结构；所述异质相结构均匀分布于晶体结构的表面，将晶体结构包覆其中，形成均匀的晶体表层。2.根据权利要求1所述的电池层状正极材料，其特征在于：所述异质相结构为尖晶石相或岩盐相结构；优选的，所述异质相结构是由所述电池层状正极材料的晶体结构的体相层按照其相同晶格外延生长到晶体结构的表面界面层而成，即异质相结构与晶体结构的体相层共晶格。3.根据权利要求1所述的电池层状正极材料，其特征在于：所述晶体表层的厚度大于或等于10nm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的电池层状正极材料，其特征在于：所述电池层状正极材料为Li
1+x
TMO
2+y
，其中0≤x≤1，0≤y≤1，TM为Co、Mn、Ni和Al的至少一种。5.根据权利要求4所述的电池层状正极材料，其特征在于：所述电池层状正极材料为钴酸锂、高镍二元材料、高镍多元材料、富锂锰正极材料中的至少一种；所述高镍是指镍含量大于或等于50％；优选的，所述电池层状正极材料为LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2、LiNi
0.5
Co
0.3
Mn
0.2
O2和LiCoO2中的至少一种。6.根据权利要求5所述的电池层状正极材料，其特征在于：所述晶体表层的组成元素包括阳离子和阴离子，所述阳离子包括Li、Co、Mn、Ni、Al、B、Mg、Ca和Zn中的至少一种，所述阴离子包括O和/或F。7.根据权利要求6所述的电池层状正极材料，其特征在于：所述晶体表层中，Al、B、Mg、Ca、Zn和/或氟的含量由内而外逐渐升高，Co、Mn、Ni和/或O的含量由内而外逐渐降低。8.根据权利要求1
‑
7任一项所述的电池层状正极材料的制备方法，其特征在于：包括对常规的电池层状正极材料进行以下处理，获得晶体结构中具有钉扎的异质相结构的电池层状正极材料；步骤一，采用以下方法中的至少一种对常规的电池层状正极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘锋，黄伟源，赵庆贺，张明建，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：