[发明专利]纳米复合材料及其制备方法和正极材料与电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料及其制备方法和应用，具体地涉及一种锂-过渡金属纳米复合材料及其制备方法，以及包含所述纳米复合材料的二次锂电池用正极材料及二次锂电池。

背景技术

目前，商品化锂离子电池普遍采用LiCoO₂正极、LiMn₂O₄正极、LiFePO₄正极与石墨化碳负极材料。石墨化碳材料在首周充放电循环中存在一定的不可逆容量损失，导致该全电池体系的首周库仑效率仅能达到约92％。此外，由于石墨化碳材料负极的诸多限制因素(如比容量较低，高倍率充放电性能较差，易在表面析出金属锂形成枝晶导致短路等)，开发嵌锂电位较高的高储锂容量的新型材料是目前负极材料研发的热点，包括合金类负极材料，如含锡、硅的材料；过渡金属化合物负极材料，如含Mn、Cr、Fe、Ni、Co的过渡金属化合物；含锂的过渡金属化合物材料，如LiVO₂，LiTiO₂；非过渡金属化合物材料，如SnO₂，SnO，Sb₂O₃等。但这些高容量负极材料均存在一个缺陷，即首周嵌锂后的脱锂过程中不可逆容量较大。因此，在应用这类材料时，会导致全电池体系的首周库仑效率进一步降低。

为了解决负极初始充放电效率低的问题，现有技术中先后提出向正极中直接加金属锂、负极中加金属锂、正极加含表面保护层的锂、负极加含表面保护层的锂、负极添加含锂的化合物(如Li_xTMN_y，TM＝Co，Fe，Ni，Cu)或者锂合金等方法。但由于这些添加物质在空气中呈不稳定性质，在实际应用中存在一定的技术困难，例如在电极制作、电池装配等过程中存在一系列安全问题等。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服目前负极初始充放电效率低的缺陷，同时避免因直接添加金属锂等物质而导致的安全隐患，提供一种可有效减少或消除全电池体系首周充放电循环中负极的不可逆容量，以提高电池首周库伦效率的锂-过渡金属纳米复合材料及其制备方法和应用。

本发明提供了一种纳米复合材料，所述纳米复合材料包含锂元素和过渡金属元素，其中，所述锂元素可以来自锂盐和/或锂的氧化物；所述过渡金属元素可以来自过渡金属和/或过渡金属的氧化物；所述锂元素和过渡金属元素的摩尔比可以为0.25～8∶1，可以优选为1～4∶1。

根据本发明的纳米复合材料，其中，所述锂盐、锂的氧化物、过渡金属和过渡金属氧化物的平均粒径可以各自独立地为1～100nm，优选为1～50nm。

根据本发明的纳米复合材料，其中，所述锂盐可以为碳酸锂、草酸锂和醋酸锂中的一种或多种，优选为碳酸锂；所述锂的氧化物可以为过氧化锂或氧化锂；所述过渡金属可以为Ti，Cu，Mn，Fe，Co，Ni，Zn，Ag，Zr，Nb，Mo和W中的一种或多种；所述过渡金属氧化物可以为M_aO_z，其中M为Ti，Cu，Mn，Fe，Co，Ni，Zn，Ag，Zr，Nb，Mo或W，a＝0.5～3，z＝0.5～5。

根据本发明的纳米复合材料，其中，所述纳米复合材料的表面可以包覆有碳层和/或惰性化合物层。

根据本发明的纳米复合材料，其中，所述碳层可以为石墨化碳或非石墨化碳；所述碳层的厚度可以为0.4～100nm，优选为1～10nm；所述惰性化合物可以为Al₂O₃，TiO₂，ZrO₂，ZnO，HfO₂，SiO₂，MgO，AlPO₄，AlF₃和ZrO₂中的一种或多种；所述惰性化合物层的厚度可以为0.4～100nm，优选为1～10nm。

根据本发明的纳米复合材料，其中，所述纳米复合材料可以为近球形粉末状材料、线状材料、棒状材料、薄膜材料或孔径为1～100nm的含孔材料，优选为近球形粉末状材料。

本发明还提供了一种制备本发明所述纳米复合材料的方法，所述制备方法可以包括化学法或物理法；

所述化学法包括：配制含有锂盐和过渡金属盐的混合溶液，在搅拌时向混合溶液中加入碳酸氢铵溶液，所述过渡金属盐、锂盐和碳酸氢铵的摩尔比为1∶1～2∶2～4；充分搅拌后在50～100℃下静置1～96小时，干燥后将所得产物研磨、焙烧，即得到纳米复合材料；