[发明专利]掺杂硼元素的镍钴酸锂正极材料

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池，特别涉及一种锂离子电池用的掺杂硼元素的镍钴酸锂正极材料。

背景技术

自从1991年SONY公司以钴酸锂为正极制作的力电池投放市场以来，较大的能量密度较长的循环寿命且无记忆效应等优点，锂离子二次电池因其具有较高的输出电压在人们的日常生活中占据越来越重要的位置，在移动通信、笔记本电脑、电动交通工具、航空航天、生物医药等领域得到了广泛的应用。随着科技的进步，新的正极材料也不断涌出，现在商品化的锂离子二次电池正极材料主要是层状钴酸锂、层状镍酸锂和尖晶石锰酸锂。钴酸锂虽然是第一代锂离子电池所用的正极材料，应用技术也比较成熟，但存在钴资源短缺、钴毒性大等不足，制约着它的进一步发展利用；层状镍酸锂尽管原料价格较低，对环境污染较小等优点，但由于制备化学计量比的产物非常困难，且材料存在循环性能差、高温稳定性差、安全性差等缺陷，限制了它的商业应用。尖晶石锰酸锂正极材料资源丰富、成本的、环保，并且可以大电流充放电，但在使用过程中仍然存在锰在电解液中的溶解以及在深放电过程中结构发生Jahn-Tller不可逆形变等不利因素，造成其高温性能差、容量衰减快。因此，寻找新型替代材料或者提高现有材料的电化学性能成了锂离子二次电池正极材料的研究热点。

目前，锂离子电池未来发展方向主要是电池容量的提高和循环寿命的延长以及成本安全性问题。镍酸锂中通过掺入钴元素替代部分镍元素形成镍钴酸锂LiNi_1-mCo_mO₂，其中，0.1＜m＜0.3，既可以使材料的合成变得更容易，也可降低单纯使用钴酸锂对环境的污染，同时兼具钴酸锂和镍酸锂的优点，是非常有发展前景的正极材料，但是在实际应用过程中，钴的掺杂对材料的热力稳定性作用不大。而且在充电后期，正极材料中的Ni⁴⁺、Co⁴⁺的氧化性非常强，易与电解液之间产生恶性相互作用，导致材料的循环性能急剧恶化。同时，正极材料也不稳定，在一定温度下会发生分解反应，导致结构塌陷、材料的电化学性能恶化。近几年来，科研人员通过持久不懈的努力，发现通过掺杂和表面包覆可提高材料在充放电过程中稳定性和表面性能，从而优化了其电化学性能。

中国专利申请号03124282.0公布了“掺杂镍酸锂的低温燃烧合成方法”，该合成方法虽然设备简单、操作方便，合成的材料比容量高，但利用的都是硝酸盐和有机染料，在合成过程中会产生大量的NO₂和CO₂废气，对环境造成污染，违背可持续发展战略方针。中国专利申请号200510088044.5公布了“球型掺杂镍酸锂的熔盐包裹合成方法”，采用包裹材料的硝酸盐作熔体，然后把镍酸锂正极材料投入其中使其被均匀涂覆。此工艺虽然合成的材料颗粒度均匀，比容量较高，但合成过程中亦有NO₂废气排放、污染环境，同时材料合成过程中热处理步骤较多，增加能耗。专利申请号200510019552.8公布了“掺杂和表面包覆的钴酸锂正极材料及其制备方法”，利用传统固相反应合成掺杂和表面包覆的钴酸锂正极材料，虽然过程简单，但传统的固相反应的缺陷如材料结晶的均匀性、颗粒形貌和粒度分布等难以精确控制，而且需要三次加热保温，增大了生产成本。

总之，现有技术中锂离子二次电池的正极材料仍然存在各种缺陷，人们仍然在试图寻找一种电化学性能好、生产工艺简单、能耗的、无污染的正极材料。

发明内容

为弥补上述正极材料的不足，本发明提供一种掺杂硼元素的镍钴酸锂正极材料及其制备工艺。

本发明掺杂硼元素的镍钴酸锂正极材料，是在镍钴酸锂材料中掺杂硼元素，其化学式为：LiNi_XCo_YB_ZO2，其中，0.7＜X＜0.9，0.1＜Y＜0.3，0＜Z＜0.1，且X+Y+Z＝1。

所述掺杂硼元素的镍钴酸锂正极材料的制备方法如下：

5)将含有镍、钴和锂的化合物或多种化合物组成的混合物含有硼的化合物或多种化合物组成的混合物按所述比例混配；

6)在空气气氛中，于300-600℃的温度下预处理1-10小时；

7)在氧气气氛中，于700-850℃下，高温合成3-15小时；

8)冷却到常温，进行粉碎、筛分，即得到掺杂硼元素的镍钴酸锂材料。