[发明专利]一种利用压电陶瓷提高锂离子电池循环寿命的方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种利用压电陶瓷提高锂离子电池循环寿命的方法。

背景技术

随着社会的不断进步，在全球经济飞速增长的现在，科学技术的不断发展带来的产品在人们的生活中起着不可或缺的作用，电子产品，电动汽车，医疗设备等对储能的要求越来越高，人们对能源的需求日益增加，对社会与经济可持续发展的重要性的认识不断深化。锂离子电池作为新一代的绿色高能充电电池，自1990年问世以来，以其电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小和环境友好等突出优点，近20年取得了迅猛发展，已被广泛用作袖珍贵重家用电器如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等的电源，目前锂离子电池正极材料主要包括钴酸锂、磷酸铁锂、高镍正极材料等。

目前，锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂等。钴酸锂材料的电化学性能较稳定，导电性优异，循环性能好，是最早实现工业化和商业化的正极材料，但是其实际容量较低(150mAh .g-1 )，并且毒性较大，价格昂贵等，使其应用受到限制；层状锰酸锂，其容量相对较高，但是其结构稳定性较差，Jan-Telle效应严重；尖晶石锰酸锂，其结构稳定性好，但是容量低，且高温下结构稳定性显著下降；镍酸锂材料容量相对较高，但是材料合成困难，并且材料稳定性差，重现性差；磷酸铁锂材料容量相对较高，材料安全性能优异，结构稳定，但是其导电性差，限制了其在大倍率用电器中的应用；镍钴锰酸锂材料综合了钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂材料优势，具有良好的热稳定性，较高的比容量和比能量，来源丰富、成本低等优点，但是该材料的电压平台较低，高电压下循环性能降低。因此，从目前的现有情况看，锂离子电池在能量密度、安全性能、循环寿命以及倍率性能等方面仍需提高，因而限制了其在锂离子动力电池领域的应用，需要对锂离子电池正极材料进行改性。

锂离子动力电池作为一种要求极高的可循环充放电的二次电池，对电池的容量保持率、高倍率性能、循环次数有着特殊的要求。但在充放电循环过程中，晶格结构的稳定性和可逆性始终成为制约因素，其循环过程中伴随的容量衰减，结构随着循环的进行逐渐发生不可逆改变，最终使正极活性物质失活，寿命降低。因此提高锂离子电池正极材料在锂离子迁移中结构稳定性和可逆性对提高锂电池寿命至关重要。

体相掺杂是改善正极材料电化学性能的重要手段之一，目前研究者们已计算出采用少量的镁、铝、钛、铬等金属离子的掺杂能够提高材料的结构稳定性及电化学性能，大量文献报道已成功制备出镁、铝等元素掺杂的层状结构和尖晶石结构的锂离子电池正极材料，且明显提高了材料的循环性能及倍率性能。

目前的专利及文献报道大多首先制备良好形貌的前驱体，然后通过固相混合在前驱体二次颗粒表面包覆特定掺杂金属的氧化物、氢氧化物或磷酸盐，再通过固相混合锂源焙烧制备特定金属掺杂的正极材料。但其均不能有效克服锂离子电池在循环充放电过程中结构易改变、可逆性差的缺陷。

发明内容

针对上述改性的不足鉴，本发明提出一种利用压电陶瓷提高锂离子电池循环寿命的方法，即在制备锂电池正极材料的前驱物中使用少量的压电陶瓷晶体，当在锂离子迁移时，压电陶瓷晶体受外部电场作用，产生机械形变，从而抑制钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等锂离子正极材料在循环充放电过程中的结构变化。从根本上解决了电极材料循环过程中的容量衰减，使循环充放电过程为可逆性提高，大幅提高循环寿命。并且，还能使锂离子自由通过，具有良好的导电率，提高了锂电池的首次效率和倍率性能。

本发明提供了一种利用压电陶瓷提高锂离子电池循环寿命的方法，其具体包括以下步骤：

(1)将锂离子电池正极材料分散在有机溶剂中，在室温下超声处理，得到锂离子电池正极材料分散液；

(2)将压电陶瓷进行湿法球磨、干燥，在第一温度烧结2～4h，研磨得纳米级压电陶瓷固溶粉体；

(3)将步骤(2)中得到的压电陶瓷固溶粉体分散在有机溶剂中，高速搅拌、超声，形成均匀悬浊液；

(4)在高速搅拌下，将步骤(1)得到的锂离子电池正极材料分散液加入步骤(3)中制得的悬浊液中，以使所述纳米级压电陶瓷固溶粉体参杂至所述锂离子电池正极材料中，所述锂离子电池正极材料和所述压电陶瓷固溶粉体的质量比为1:(0.01 ～ 0.1)；

(5)将参杂有纳米级压电陶瓷固溶粉体的锂离子电池正极材料前驱物在真空烘箱中80～120℃烘干24～48h，并将烘干后的固体物质充分研磨成粉末，经过退火处理，于第二温度烧结，得所述用作锂离子电池的正极材料。