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正极材料及其制备方法、电池与流程

  • 国知局
  • 2024-08-05 11:42:52

本发明涉及正极材料,尤其涉及正极材料及其制备方法、电池。

背景技术:

1、高能量密度、高工作电压、长循环和高安全性是锂离子电池广泛、大规模应用的迫切要求。正极材料对锂离子电池组的性能有直接和主导的影响,其性能的优劣将直接影响着锂离子电池的整体性能。高镍三元正极材料limo2(其中m通常是ni、co、mn或al,其中ni的摩尔分数在0.6以上)因其高比容量、高堆积密度和低成本而成为最可行的选择之一。然而,随着多晶含镍量的增加,其放电容量呈比例增大,但伴随存在容量衰减较快、结构不稳定、热性能恶化及残碱偏高等一系列缺陷,限制了其商业化应用,主要原因是在电化学循环过程中发生了一系列有害的过程,包括本体和表面的相变等的副反应。通过采用包覆来改善晶体结构的相变,但是现有的包覆层电子导电和离子导电性较差,会阻碍锂在脱嵌过程中的扩散,降低正极材料的倍率性能及能量密度,进一步降低锂电池的倍率性能。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供正极材料及其制备方法、电池,能够减少正极材料与电解液的副反应,还能够增加正极材料的导电率,提高正极材料的倍率性能。

2、第一方面,本技术提供一种正极材料,正极材料包括:

3、基体材料,所述基体材料包括锂过渡金属复合氧化物;

4、位于所述基体材料至少部分表面的包覆层,所述包覆层包括框架材料及复合金属氧化物;

5、所述框架材料包括透明导电氧化物,所述框架材料包括透明导电氧化物,至少部分的所述复合金属氧化物嵌入所述框架材料内且与所述基体材料连接。

6、在一些实施方式中,所述复合金属氧化物由层状双金属氢氧化物热分解得到。

7、在一些实施方式中,所述复合金属氧化物的化学通式为abo2,a金属元素选自mg、ca、ba、mn、ni、co、cu、zn和cd中的至少一种;b金属元素选自al、gr、ga、sc、v、cr、y和bi中的至少一种。

8、在一些实施方式中,所述复合金属氧化物的平均粒径为2nm~20nm。

9、在一些实施方式中,以所述包覆层的质量为100wt%计,所述透明导电氧化物的质量含量为0.2wt%~25wt%。

10、在一些实施方式中,所述透明导电氧化物包括氧化铟锡、氧化锡锑、铝掺杂氧化锌、氟掺杂氧化锡和镓掺杂氧化锌中的至少一种。

11、在一些实施方式中,所述透明导电氧化物包括氧化铟锡,所述氧化铟锡中的锡的质量含量为1%~30%。

12、在一些实施方式中,所述基体材料的化学通式为lianixcoymzo2,其中,0.95≤a≤1.1,0.8≤x<1,0<y≤0.12,0<z≤0.08,x+y+z=1,m元素包括al、mn、ba、ca、mg、sr、zr、ti、la、w、nb、y、gd及ta中的至少一种。

13、在一些实施方式中,所述基体材料的平均粒径为2μm~20μm。

14、在一些实施方式中,所述包覆层的厚度为5nm~100nm。

15、在一些实施方式中,以所述基体材料的质量为100%计,所述包覆层的质量含量为0.2%~20%。

16、在一些实施方式中,所述正极材料的中值粒径d50为2μm~20μm。

17、在一些实施方式中,所述正极材料的比表面积为0.2m2/g~2m2/g。

18、在一些实施方式中,所述正极材料的压实密度为1.5g/cm3~3.5g/cm3。

19、在一些实施方式中,所述正极材料的粉末电导率为10s/cm~40s/cm。

20、在一些实施方式中,所述正极材料中的自由锂含量为500ppm~5000ppm。

21、第二方面,本技术提供一种正极材料的制备方法,包括如下制备步骤:

22、配制透明导电金属氧化物的前驱体溶液,并加入纳米级的聚苯乙烯球,得到混合溶液;

23、将所述混合溶液包覆至基体材料的表面,热处理去除聚苯乙烯球,得到表面包覆框架材料的活性物质,所述框架材料包括透明导电氧化物且具有网孔结构;

24、将含双金属阳离子的第一分散液、含阴离子的第二分散液同时滴入含活性物质的第三分散液中直至溶液呈碱性,共沉淀反应后进行固液分离得到固态产物,并进行烧结,得到正极材料。

25、在一些实施方式中,在所述混合溶液中,所述聚苯乙烯球的浓度为0.01mg/ml~10mg/ml。

26、在一些实施方式中,所述前驱体溶液包括sn、in和zn中的至少一种的盐。

27、在一些实施方式中,所述前驱体溶液还包括掺杂元素的盐,所述掺杂元素包括sb、ga、al、f中的至少一种。

28、在一些实施方式中,所述前驱体溶液预热后加入溶剂稀释后再加入纳米级的聚苯乙烯球,预热温度为80℃~160℃。

29、在一些实施方式中,所述聚苯乙烯球的粒径为20nm~100nm。

30、在一些实施方式中,所述基体材料的化学通式为linixcoymzo2,其中,0.8≤x<1,0<y≤0.12,0<z≤0.08,x+y+z=1,m元素包括al、mn、ba、ca、mg、sr、zr、ti、la、w、nb、y、gd及ta中的至少一种。

31、在一些实施方式中,所述基体材料的中值粒径为2μm~20μm。

32、在一些实施方式中,所述框架材料的网孔的平均孔径为20nm~100nm。

33、在一些实施方式中,所述将所述混合溶液包覆至基体材料的表面在搅拌状态下进行,搅拌速率为30r/min~200r/min,所述混合溶液的喷洒时间为20min~100min。

34、在一些实施方式中,所述热处理的温度为400℃~600℃。

35、在一些实施方式中,所述热处理的时间为60min~500min。

36、在一些实施方式中,所述第一分散液中的金属阳离子包括a金属阳离子及b金属阳离子,其中,a金属阳离子选自mg2+、ca2+、ba2+、mn2+、ni2+、co2+、cu2+、zn2+和cd2+金属离子中的至少一种;所述b金属元素选自al3+、gr3+、ga3+、sc3+、cr3+、y3+和bi3+金属离子中的至少一种。

37、在一些实施方式中,所述第一分散液中的金属阳离子包括a金属阳离子及b金属阳离子,所述a金属阳离子与所述b金属阳离子的摩尔比为1:(0.01~1)。

38、在一些实施方式中,所述第二分散液中的阴离子包括oh-、co32-、no3-、cl-、oh-、so42-和po43-中的至少一种。

39、在一些实施方式中,所述第三分散液包括活性物质及水,所述活性物质与所述水的质量比为1:(1~10)。

40、在一些实施方式中,所述将含双金属阳离子的第一分散液、含阴离子的第二分散液同时滴入含活性物质的第三分散液中在搅拌状态下进行,搅拌速率为30r/min~200r/min。

41、在一些实施方式中,所述烧结的温度为500℃~700℃,所述烧结的时间12h~20h。

42、第三方面,本技术提供一种电池,所述电池包括第一方面所述的任一正极材料。

43、本发明与现有技术相比,至少具有以下有益效果:

44、本技术提出的正极材料,正极材料包括基体材料及包覆层,包覆层包括框架材料及复合金属氧化物;框架材料包括透明导电氧化物,至少部分的所述复合金属氧化物嵌入所述框架材料内且与所述基体材料连接。复合金属氧化物能够在正极材料表面形成惰性层,使得正极材料在与电解液接触过程中产生的少量的水和残碱能够优先进入包覆层的复合金属氧化物内,减少电池循环过程中的产气现象;并且,复合金属氧化物嵌设于透明导电氧化物形成的框架材料内并穿过框架材料与基体材料连接,能够加强包覆层的结构稳定性,透明导电氧化物与复合金属氧化物都具有较高的惰性,两者协同作用能够减少正极材料与电解液的副反应,还能够增加正极材料的导电率,提高正极材料的倍率性能。

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