[发明专利]一种高倍率锂离子电池正极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域和电化学储能领域，具体涉及一种锂镍钴锰氧化物固溶体材料及其制备方法，以及作为高倍率高容量二次电池和超级电容器的正极材料的用途。

背景技术

能源是国民经济的发动机，新能源开发决定着未来经济的自主权。能源包括化石能源和清洁能源，随着化石能源因其不可再生性和环境污染问题，清洁能源的利用是当前最前沿、最核心的全球问题。由于清洁能源在生产中通常不具连续性，如太阳能、风能，较受制于地域和天气，因此能源储存技术是清洁能源及其产业中不可或缺的关键支撑技术。以锂离子电池和超级电容器为代表的电化学储能技术广泛应用于信息、能源、交通、军事等领域，被称为是有可能改变世界（能源）格局的突破性技术，它们在电动汽车、智能电网中的应用备受瞩目。

锂离子电池除具有高能量密度外，还具备无记忆效应、自放电小等优点，成为电动自行车、电动汽车用动力电池的首选。但目前的锂离子电池倍率性能一般较差（仅3C），使得充放电时间过长。低倍率导致电池大电流功放能力差，电动汽车难以获得加速、爬坡等大电流动力驱动功能；大电流承受能力差还会加剧电源释放大电流时的热失控安全风险，并直接导致电池实际寿命的锐减。目前的超级电容器具有快速充放电（高倍率）、大功率密度、高安全性、长循环寿命等优点，但其工作电压一般不超过3V，能量密度一般很低，难以支持长时长距离的电动续航要求。

正极材料是锂离子电池和混合超级电容器（又称为锂离子电容器，或电化学超级电容器）中最重要的组成部分，是制约锂离子电池和电容器的容量、倍率、安全性能、循环次数、使用寿命和产品价格等的关键因素。传统电池储能容量（能量密度）与充放电速率（功率密度）成反比关系，即充放电越快（高倍率性能），存储或释放的能量就越少。因此，电化学储能领域迫切需要开发一种高倍率、高容量、电化学性能优良，成本低廉的正极材料。对现有锂离子电池正极材料进行优化改性是全球范围内电化学储能技术研究和开发的重点和焦点。

目前常用的正极材料主要有钴酸锂(LiCoO₂)、镍钴锰酸锂三元材料(LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)等。钴酸锂技术是第一代最成熟的锂离子电池技术，在小电池市场中的主导地位,但因其受应用中的局限性特别是受钴价格昂贵的的影响，近年已被与之兼容的三元材料技术所取代。在电动汽车用动力电池中目前以锰酸锂技术最为成熟，但其可逆容量较低，实际只有110mAh/g左右，且在循环中易发生结构相变，导致容量锐减；而磷酸铁锂技术因受其低工作电压和低倍率性能影响，一直未能获得国际电动汽车市场的认可，且其电池性能已无技术提高的余地。现有镍钴锰酸锂技术因所制备三元材料的晶格微纳结构不稳定，安全性较差，在动力电池领域的应用受到限制，而且实验室规模制备高质量三元材料的过程很复杂，如3M公司在其专利（200480035045.7）具体实施方案所需要的各种不同的元素混合及其研磨的次序，显著提高了产业化成本。目前国际市场锂离子电池技术的倍率水准一般仅达到3C（20分钟放电），不能满足动力型及长寿命型电池的需要，严重阻碍了锂离子电池等储能技术的发展以及清洁能源的利用。

发明内容

本发明目的在于提供一种高倍率（10C）、高容量、电化学性能优良、成本低廉的锂镍钴锰氧化物固溶体正极材料及其制备方法，和其在二次电池和超级电容器中的用途。本发明通过湿化学反应与固相反应综合控制元素配比、晶粒形貌，从而制得具有稳定微纳结构的正极材料；该正极材料在2.5-4.3V之间的可逆容量高于160mAh/g，首次充放电效率高于98%，且10C的可逆容量高于120mAh/g。本发明正极材料的电化学应用与现有锂离子电池和超级电容器的技术要求兼容，解决了锂离子电池作为动力电池应用、锂离子电容器作为储能设备应用时所面临的大电流充放电的倍率、容量、循环和安全性等技术瓶颈。

本发明第一方面提供了一种锂镍钴锰氧化物固溶体锂离子电池正极材料，其化学通式为：Li₁₊δNi_xCo_yMn_1-x-yO₂其中0.0<δ≤0.12，0.0<x≤0.6，0≤y<0.5，0.0<1-x-y≤0.5。