[发明专利]一种磷镁协同掺杂改性的富锂锰基正极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

一种磷镁协同掺杂改性的富锂锰基正极材料及其制备方法和锂离子电池，该正极材料化学式为Li_1+x(Mn_aNi_bCo_cMg_{1‑a‑b‑c})_1‑xP_dO_2+δ，其中0＜x＜1，0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1且0.95≤a+b+c＜1，0＜d≤0.05，‑0.5≤δ≤0.5。本发明提供的磷镁协同掺杂改性的锰基正极材料应用于锂离子电池时首次库伦效率、倍率循环以及循环稳定性均显著提高且材料振实密度有所提高。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种磷镁协同掺杂改性的富锂锰基正极材料及其制备方法和在锂离子电池。

背景技术

目前，电动汽车面临续航里程短和安全性不足的问题，制约了其快速发展与应用。解决续航里程最直接有效的方法为采用高比容量的电池正负极材料。锂离子电池因其电压高、循环寿命长、无记忆效应等优势成为目前新能源汽车市场的主流，但目前商用的钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料比容量较低，也难以满足汽车动力电池对于续航里程的要求。

富锂锰基正极材料(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂)具有比容量高，可高达300mAh/g、成本低等优势，被视为高能量密度动力锂电池的理想选择，成为目前热门的高容量正极材料。但其存在的首次效率低、倍率性能差等缺点成为制约其市场化的主要障碍，也成为当前研究的重点和难点问题。目前常见的改善电化学性能的方法主要包括掺杂和包覆，比如CN106229502A采用硫阴离子掺杂改性富锂锰基正极材料的方法，得到的富锂正极材料具有较好循环稳定性和倍率放电性能，首次效率达到95％以上。CN 105895903A采用阴离子F^-、Cl^-、Br^-按照一定比例对材料进行掺杂改性，最终得到一类新型富锂层状正极材料。

实际上掺杂离子与基体的作用机理非常复杂，掺杂离子的大小、电子结构、电负性等特性都对材料的电化学性能有较大影响，进行多离子掺杂时相互间也会产生作用，因此掺杂离子种类及浓度是材料电化学性能能否改善的关键因素。此外，某些异价金属掺杂还有可能会导致机体材料某些元素变价，从而改变整个材料的电子结构。但目前国内外针对富锂锰基正极材料的掺杂改性往往只局限于一种元素，部分研究采用多元素共掺的方法对富锂锰基进行改性，比如CN 105552335A(铁钒共掺)、CN104218235A(钠/钾和氟/氮/磷共掺)、CN 103943842A(氯镉共掺)通过多元素掺杂，均取得较为明显的改善效果。

但是多数掺杂研究仅仅关注材料电化学性能的改善，甚至只注重电化学性能中某一项(比容量、首次库伦效率、循环、倍率等性能)而影响其他性能发挥，往往忽略对材料加工性能的改善。而富锂锰基正极材料本身振实密度较低，会导致其加工性能较差且制备出的电池极片压实密度低等诸多问题，最终影响电池制备成本和体积能量密度。

发明内容

为此，本发明的目的之一在于提供一种磷镁离子协同掺杂改性的富锂锰基正极材料，本发明通过阴阳离子的掺杂协同作用，有效的改善了富锂锰基正极材料的首次库伦效率、倍率以及循环性能，通过掺杂还一定程度提高了材料的振实密度，改善了材料的加工应用性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磷镁协同掺杂改性的富锂锰基正极材料，具有式(I)所示通式：

Li_1+x(Mn_aNi_bCo_cMg_1-a-b-c)_1-xP_dO_2+δ (I)

其中0＜x＜1，0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1且0.95≤a+b+c＜1，0＜d≤0.05，-0.5≤δ≤0.5。