正极材料、电化学装置和用电装置制造方法及图纸

正极材料包括锂锰氧化物。正极材料的拉曼光谱在401cm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】正极材料、电化学装置和用电装置


[0001]本申请涉及电池
，具体涉及一种正极材料、电化学装置和用电装置。

技术介绍

[0002]为了解决全球能源危机、环境污染、气候变化、低碳经济等严峻问题，电动交通工具、大型动力电源及储能领域电源的研发和应用成为必然。
[0003]尖晶石LiMn2O4及橄榄石型LiFePO4因成本低，安全可靠性好，作为正极材料被广泛应用于锂离子电池中。但LiMn2O4和LiFePO4材料同时也存在着充放电克容量低，进而使得锂离子电池的能量密度较低的问题。
[0004]为了提高上述材料体系锂离子电池的能量密度，现有技术中多采用提高尖晶石LiMn2O4材料的Li/Mn比、进行高价态阳离子掺杂或混合三元材料等高能量密度正极材料的方案。但提高材料的Li/Mn比或进行高价态阳离子掺杂会严重恶化锂离子电池的高温循环性能，而混合三元材料等高能量密度正极材料会使得锂离子电池的成本增幅较高。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术存在的上述问题，本申请提供一种正极材料及包括该正极材料的电化学装置，本申请的正极材料具有高的充电克容量以及优异的结构稳定性，进而在大幅度提升电化学装置能量密度的基础上，提高电化学装置的循环和存储性能。
[0006]在第一方面，本申请提供一种正极材料，其包括锂锰氧化物，其中，正极材料的拉曼光谱在401cm
‑1至410cm
‑1范围内具有特征峰1，在598cm
‑1至611cm
‑1范围内具有特征峰2。其中，特征峰1为锂锰氧化物中正交相的特征峰，特征峰2为锂锰氧化物中单斜相的特征峰。一方面，锂锰氧化物中的正交相和单斜相具有较高的储锂容量，能够提供较高的充电克容量，从而大幅提升电化学装置的能量密度；另一方面，单斜相与正交相共存，形成固溶体，能够提升锂锰氧化物在电化学装置充电状态下的结构稳定性，两相共存形成的固溶体存在氧空位，能够促进锂离子的脱出，从而能够进一步提升锂锰氧化物的充电克容量；同时，锂锰氧化物中正交相和单斜相复合相结构的存在能够稳定Mn的结构和减少八面体的晶格畸变，提高锂锰氧化物在高脱锂态的晶体结构的稳定性，从而抑制Mn元素的溶出，改善电化学装置的循环和存储性能。
[0007]在一些实施方式中，特征峰1的半峰宽为H1，特征峰2的半峰宽为H2，满足：H1≤25cm
‑1、H2≤30cm
‑1。特征峰1的半峰宽H1和特征峰2的半峰宽H2在上述范围内，锂锰氧化物中的正交相和单斜相均具有较高的结晶规整度，能够抑制循环和存储时的结构相变，从而提高电化学装置的循环和存储性能。
[0008]在一些实施方式中，特征峰1的峰面积为S1，特征峰2的峰面积为S2，满足：1≤S2/S1≤5。
[0009]在一些实施方式中，1≤S2/S1≤1.3，或2.2≤S2/S1≤5。S2/S1在上述范围时，锂锰氧化物中正交相与单斜相的含量存在较大差异，能够协同作用形成固溶体，促进锂锰氧化
物中Li离子的脱出，从而进一步提升锂锰氧化物的充电克容量。
[0010]在一些实施方式中，正极材料的拉曼光谱在270cm
‑1至279cm
‑1范围内具有特征峰3。正极材料的拉曼光谱存在特征峰3表明锂锰氧化物中单斜相的结晶有序性较高，从而利于充电时锂离子的脱出，进而提高电化学装置的充电容量。
[0011]在一些实施方式中，特征峰3的半峰宽为H3，满足：H3≤35cm
‑1。特征峰3的半峰宽H3在该范围内，一方面，其结晶程度较为完整，可以提供较高的脱锂容量；另一方面，单个晶体的粒径较小，锂离子在材料中的固相扩散路径较短，能够有效提升正极材料脱嵌锂的动力学性能。
[0012]在一些实施方式中，正极材料还包括M1元素，基于正极材料中Mn元素的摩尔量，正极材料中M1元素的摩尔百分含量为a1，满足：0.1％≤a1≤10％，其中，M1元素包括Al、Nb、Mg、Ti、W、Ga、Zr、Y、V、Sr、Mo、Ru、Ag、Sn、Au、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Cu、Na、Zn、Fe、Co、Ni、Cr或Ca中的至少一种。
[0013]在一些实施方式中，正极材料还包括Al元素，基于正极材料中Mn元素的摩尔量，正极材料中Al元素的摩尔百分含量为b1，满足：0.1％≤b1≤10％。元素Al的含量会导致相比例发生改变，含量过高或过低都会导致材料中间相增多，进而使得晶界壁垒增多，导致容量降低。
[0014]在一些实施方式中，正极材料中，Li元素和Mn元素的摩尔比为c1，满足：0.9≤c1≤1.2。Li/Mn摩尔比在上述范围内，可以稳定的生成正交和单斜混合相，提升电化学装置的能量密度。
[0015]在一些实施方式中，所述锂锰氧化物具有片层状结构。片层状结构有利于锂锰氧化物中Li离子的脱出，从而提升锂锰氧化物的充电克容量。
[0016]在一些实施方式中，所述锂锰氧化物包括Li
x
Mn
y
M1
z
O2，其中，0.9≤x≤1.2，0.9≤y≤1，0≤z≤0.1，M1包括Al、Nb、Mg、Ti、W、Ga、Zr、W、Y、V、Sr、Mo、Ru、Ag、Sn、Au、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Cu、Na、Zn、Fe、Co、Ni、Cr或Ca中的至少一种。在一些实施方式中，0.9≤x≤1.2，0.9≤y≤1，0.001≤z≤0.1。
[0017]在一些实施方式中，正极材料还包括位于正极材料表面的包覆层，该包覆层包括M2元素，基于包覆层中Mn元素的摩尔量，包覆层中M2元素的摩尔百分含量为0.05％至2％，其中，M2元素包括S、C、B或F中的至少一种。正极材料表面的包覆层可以进一步抑制Mn溶出，进而提高电化学装置的循环和存储性能。
[0018]在一些实施方式中，正极材料还包括Al元素，正极材料包括基体和包覆层，基于基体中Mn元素的摩尔量，基体中Al元素的摩尔百分含量为d1，基于包覆层中Mn元素的摩尔量，包覆层中Al元素的摩尔百分含量为d2，满足：d2/d1≥1.3。
[0019]在一些实施方式中，基于正极材料的质量，正极材料的残锂量小于或等于0.05％。
[0020]在一些实施方式中，正极材料的pH值为11至12。
[0021]在第二方面，本申请提供了第一方面的正极材料的制备方法，其包括：S1：将含锰氧化物、锂源和可选的M1元素源进行混合得到第一混合物；将得到的第一混合物在第一气氛条件以及第一温度条件下进行第一热处理，得到第一锂锰氧化物；其中，所述含锰氧化物和所述锂源按照锂锰摩尔比Li/Mn为0.9
‑
1.2的范围进行混合；所述第一气氛条件为惰性气氛。
[0022]在一些实施例中，所述惰性气氛包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。
[0023]在一些实施方式中，第一温度为880℃至1100℃。
[0024]在一些实施方式中，所述第一热处理时间为5小时至20小时。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种正极材料，其包括锂锰氧化物，其中，所述正极材料的拉曼光谱在401cm
‑1至410cm
‑1范围内具有特征峰1，在598cm
‑1至611cm
‑1范围内具有特征峰2。2.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述正极材料满足如下条件(1)至(2)中的至少一者：(1)所述特征峰1的半峰宽为H1，所述特征峰2的半峰宽为H2，满足：H1≤25cm
‑1、H2≤30cm
‑1；(2)所述特征峰1的峰面积为S1，所述特征峰2的峰面积为S2，满足：1≤S2/S1≤5。3.根据权利要求2所述的正极材料，其中，1≤S2/S1≤1.3，或2.2≤S2/S1≤5。4.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述正极材料的拉曼光谱在270cm
‑1至279cm
‑1范围内具有特征峰3。5.根据权利要求4所述的正极材料，其中，所述特征峰3的半峰宽为H3，满足：H3≤35cm
‑1。6.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述正极材料满足如下条件(a)至(e)中的至少一者：(a)所述正极材料还包括M1元素，基于所述正极材料中Mn元素的摩尔量，所述正极材料中M1元素的摩尔百分含量为a1，满足：0.1％≤a1≤10％，其中，所述M1元素包括Al、Nb、Mg、Ti、W、Ga、Zr、W、Y、V、Sr、Mo、Ru、Ag、Sn、Au、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Cu、Na、Zn、Fe、Co、Ni、Cr或Ca中的至少一种；(b)所述正极材料还包括Al元素，基于所述正极材料中Mn元素的摩尔量，所述正极材料中Al元素的摩尔百分含量为b1，满足：0.1％≤b1≤10％；(c)所述正极材料中，Li元素和Mn元素的摩尔比为c1，满足：0.9≤c1≤1.2；(d)所述锂锰氧化物具有片层状结构；(e)所述锂锰氧化物包括Li
x
Mn
y
M1
z
O2，其中，0.9≤x≤1.2，0.9≤y≤1，0≤z≤0.1，M1包括Al、Nb、Mg、Ti、W、Ga、Zr、W、Y、V、Sr、Mo、Ru、Ag、Sn、Au、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Cu、Na、Zn、Fe、Co、Ni、Cr或Ca中的至少一种。7.根据权利要求1所述的正极材料，其中，所述正极材料还包括位于所述正极材料表面的包覆层，所述包覆层包括M2元素，基于所述包覆层中Mn元素的摩尔量，所述包覆层中M2元素的摩尔百分含量为0.05％至2％，其中，所述M2元素包括S、C、B或F中的至少一种。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎野，袁国霞，周娟，徐磊敏，
申请(专利权)人：宁德新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：