一种正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种正极材料及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本专利技术锂电池
，具体而言，涉及一种正极材料及其制备方法
、
锂离子电池
。

技术介绍

[0002]在电子产品的蓬勃发展的今日，对于可携且可重复利用的二次电池的需求与日俱增
。
而在现有二次电池种类中，橄榄石型正极材料凭借众多优势，在动力锂离子电池的应用中有巨大的潜力
。
[0003]然而橄榄石结构磷酸盐化合物本身固有的缺点如较低电子电导率和一维缓慢的锂离子扩散速率等，对磷酸锰铁锂材料的电化学性能的发挥产生严重影响，阻碍了其进一步的大规模应用
。
为了提高能量密度，通常会提高锰的含量占比，但随着锰占比的提高，在材料的循环过程中不可避免会导致锰的溶出；目前，通常通过碳包覆来缓解材料循环过程中锰溶出问题，不仅能提高循环性能，还能提高材料的导电率
。
[0004]但是，现有固相干法技术包碳工艺并不能均匀一致地在材料表面包覆一层碳材料，表面不均
、
凹凸不平的碳包覆不仅不能改善锰溶出问题，甚至还会影响材料导电性
。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决上述技术问题的至少之一
。
[0006]为此，本专利技术的第一目的在于提供一种正极材料
。
[0007]本专利技术的第二目的在于提供一种正极材料的制备方法
。
[0008]本专利技术的第三目的在于提供一种锂离子电池
。
[0009]为实现本专利技术的第一目的，本专利技术提供一种正极材料，正极材料包括：核层，核层包括
Li、Fe、Mn、
掺杂元素
A
；壳层，壳层的至少表面部分包覆在核层的外表面，且壳层包括碳颗粒；其中，掺杂元素
A
包括
Al、Mg、Ni、Co、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn
和
Y
中的至少一种元素；正极材料的单一表面中最高点与最低点之间的距离之差不超过
1nm
，正极材料的表面粗糙度为
0.8
μ
m
‑
1.6
μ
m。
[0010]与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：核层中包括
Li、Fe、Mn、
掺杂元素
A
，通过在磷酸铁锂中掺杂锰，取代一部分
Fe
元素，制备磷酸锰铁锂材料，可提高电压，提高单位质量能量密度，并且与目前的锂离子电池的电压兼容性比较好，降低了相互取代的难度
。
[0011]进一步地，掺杂元素
A
包括
Al、Mg、Ni、Co、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn
和
Y
中的至少一种元素，通过在磷酸铁锂中掺杂元素
A
，不仅协调核层内各元素，同时对正极材料改性，提高正极材料的性能；掺杂元素
A
可以造成磷酸锰铁晶格中
Li
位或
M
位缺陷，在材料晶格中产生空位或改变原子间键长，有利于
Li
离子在晶格中的移动，可以提高电化学性能
。
[0012]壳层，壳层的至少表面部分包覆在核层的外表面，且壳层包括碳颗粒；由于随着锰占比的提高，在材料的循环过程中不可避免会导致锰溶出，在表面包覆碳颗粒，可以减少锰
溶出；但目前并不能均匀一致的在材料表面包覆一层碳材料，表面不均
、
凹凸不平的碳包覆不仅不能改善锰溶出问题，甚至还会影响材料导电性，本专利技术正极材料的单一表面中最高点与最低点之间的距离之差不超过
1nm
，正极材料的表面粗糙度为
0.8
μ
m
‑
1.6
μ
m
，通过调整表面的的凹凸程度，使正极材料表面的壳层包覆平整，从而改善锰溶出问题，进而提高材料的导电性
。
[0013]在本专利技术的一个技术方案中，碳颗粒包括第一碳颗粒与第二碳颗粒，第一碳颗粒的颗粒间孔平均直径为1μ
m
‑5μ
m
；和
/
或第二碳颗粒的颗粒间孔平均直径为
0.5
μ
m
‑1μ
m。
[0014]与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：通过第一碳颗粒的颗粒间孔平均直径为1μ
m
‑5μ
m
，第二碳颗粒的颗粒间孔平均直径为
0.5
μ
m
‑1μ
m
；两次不同粒径的碳颗粒的颗粒间孔进行包覆正极材料，利用第一次碳包覆层的间隙差，引入第二碳颗粒实现均匀平整包覆，得到碳包覆率高且包覆平整的正极材料
。
[0015]在本专利技术的一个技术方案中，正极材料的成分如式（Ⅰ）所示：
Li
1+a
Fe1‑
x
‑
y
Mn
x
A
y
（
PO4‑
b
）
·
C
b 式（Ⅰ）；其中，
a、x、y、b
的取值范围分别如下：
‑
0.1≤a≤0.4
，
0.5≤x≤0.7
，
0.005≤y≤0.05
，0＜
b≤0.3。
[0016]与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：以
Li、Fe、PO4‑
作为核层的基质，制备得到的正极材料具有更好的导电性能，同时其理论容量和导电率较高；合成过程较为简单，可以实现规模化的生产和研究推广，通过调整不同分子的比例，
Li
离子需要在正极材料中的脱嵌；加入锰，取代一部分
Fe
元素，制备磷酸锰铁锂材料，可提高电压，提高单位质量能量密度，稳定材料结构，防止体积剧变，提高电池寿命，但只添加锰，晶体结构在多次循环之后依旧会产生应变，电池寿命依旧不能做到最优；因此通过掺杂元素
A
来进一步稳定晶体结构；并在核层的外表面包覆碳颗粒，从而防止因提高锰的量而导致锰溶出，进一步提高正极材料的各项性能；并且通过掺杂元素
A
和元素
C
包覆的比例控制，均衡了包覆效果和导电性能，使制备的材料不仅包覆均匀，而且导电性优异
。
[0017]在本专利技术的一个技术方案中，正极材料的比表面积为
10m2/g
‑
25m2/g
；和
/
或核层的直径为
200nm
‑
400nm
；和
/
或壳层的厚度为
1nm
‑
5nm。
[0018]与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：在正极材料的比表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括：核层，所述核层包括
Li、Fe、Mn、
掺杂元素
A
；壳层，所述壳层的至少表面部分包覆在所述核层的外表面，且所述壳层包括碳颗粒；其中，所述掺杂元素
A
包括
Al、Mg、Ni、Co、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn
和
Y
中的至少一种元素；所述正极材料的单一表面中最高点与最低点之间的距离之差不超过
1nm
，所述正极材料的表面粗糙度为
0.8
μ
m
‑
1.6
μ
m。2.
根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述碳颗粒包括第一碳颗粒与第二碳颗粒；其中，所述第一碳颗粒的颗粒间孔平均直径为1μ
m
‑5μ
m
；和
/
或所述第二碳颗粒的颗粒间孔平均直径为
0.5
μ
m
‑1μ
m。3.
根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料的成分如式（Ⅰ）所示：
Li
1+a
Fe1‑
x
‑
y
Mn
x
A
y
（
PO4‑
b
）
·
C
b
ꢀꢀ
式（Ⅰ）；其中，
a、x、y、b
的取值范围分别如下：
‑
0.1≤a≤0.4
，
0.5≤x≤0.7
，
0.005≤y≤0.05
，0＜
b≤0.3。4.
根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料的比表面积为
10m2/g
‑
25m2/g
；和
/
或所述核层的直径为
200nm
‑
400nm
；和
/
或所述壳层的厚度为
1nm
‑
5nm。5.
根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料的明度为0‑
25
；和
/
或所述正极材料的彩度为0‑
3.6。6.
根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料在测试电压
2.0V
‑
4.3V
范围内，其
0.1C
首次放电克容量不低于
160mAh/g
；和
/
或所述正极材料的体积比能量密度不低于
80mAh/cm3；和
/
或所述正极材料在循环电压
2.0V
‑
4.3V
下，进行循环充放电测试，经历
200
周后，循环容量保持率不低于
95.62
％
。7.
一种正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S100、
将
Li
源
、Mn
源
、Fe
源
、P
源
、
含掺杂元素
A
的掺杂剂混合，依次进行预加热处理
、
粉碎处理
、
干燥处理，在还原性气氛下进行一次烧结处理得到第一正极材料；
S200
：将所述第一正极材料与第一碳颗粒在还原性气氛下进行二次烧结处理，得到第二正极材料；
S300
：依次加入所述第二正极材料与第二碳颗粒
、
粘结剂进行预混处理，再在还原性气氛下进行三次烧结处理，得到所述正极材料；其中，所述第一碳颗粒的颗粒间孔的平均直径为1μ
m
‑5μ
m
；所述第二碳颗粒的颗粒间孔的平均直径为
0.5
μ
m
‑1μ
m。8.
根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
在
S100
中，所述

【专利技术属性】
技术研发人员：田怀远，陈海洋，刘毅，王裕生，严旭丰，王雪莹，
申请(专利权)人：宁波容百新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：