[发明专利]一种层状富锂锰基正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种层状富锂锰基正极材料，其化学式为：本发明所提供的层状富锂锰基正极材料，硼和铝元素可以进入层状富锂锰基的晶体结构中，起到稳定结构的作用，从而提高循环过程的稳定性，硼铝共掺杂既可以抑制首次充放电结束时氧空位的消失，从而提高首次充放电效率；掺杂原子占据材料四面体结构间隙位置，阻断过渡金属离子的迁移路径，从而缓解了平均放电电压下降，并且部分掺杂元素沉积在材料颗粒的表面，增大离子传输的动力学，而改善了层状富锂锰基正极材料的倍率性能；硼铝共掺杂可以发挥两种金属元素的协同作用，使得层状富锂锰基正极材料在动力电池及储能领域具有广泛的应用前景。本发明制备方法工艺简单，操作方便，降低了设备要求及制作成本，能够满足工业化生产要求。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料制备技术领域，具体涉及一种层状富锂锰基正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电低、无记忆效应等独特优势，被广泛应用于便携式电子产品，纯电动汽车，混合动力汽车，储能等领域。近年来，钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、镍钴锰三元材料(LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/3O₂)和磷酸铁锂(LiFePO₄)等已经广泛应用于锂离子电池的正极材料，钴酸锂基本上占据了消费类锂离子电池的市场，但是由于其价格高、安全性能较差，一般不作为锂离子动力电池的正极材料，锰酸锂的成本低，但是循环性能差，尤其是高温循环，不能满足实际需求，镍钴锰三元材料目前主要应用于动力电池，但是其能量密度不能满足目前我国对高能量密度电池(300Wh/kg)的需求，而且成本较高，安全隐患大，磷酸铁锂成本低，主要应用于电动大巴和储能领域，其致命的缺陷是能量密度低，而且低温性能较差。因此，开发高性能、低成本的锂离子电池正极材料一直是锂离子电池研究的主要方向。

层状富锂锰基正极材料可用通式xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂来表达，其中0x1，M为过渡金属，为层状结构，具有很高的放电比容量(～250mAh/g)，而且工作电压区间大于4.6V，使其具有很高的能量密度，而且锰元素比例的提高可以降低钴的含量，因此富锂锰基正极材料具有低成本和低毒性等优点。但是富锂锰基正极材料仍存在一些缺陷，在高截止电压(4.6V)下，容易引起电解液分解，导致循环性能较差，同时首次充放电效率低，首次放电不可逆容量损失较大(40～100mAh/g)，高倍率性能差，平均放电中压下降快。目前，层状富锂锰基正极材料的合成方法主要有：1)共沉淀法：几种过渡金属离子在原子级水平上均匀混合，样品的形貌易形成规则球形，粒径分布均匀；2)溶胶-凝胶法：电化学性能优良，但产物的形貌不易控制，常常需要消耗大量昂贵的有机酸或醇，成本较高；3)固相法：要求原料有很好的混合，并在煅烧过程中要保持几种过渡金属离子有充分的扩散。但是，目前的这些方法仍然没有解决富锂锰基正极材料的循环性能差、首次充放电效率低和倍率性能差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长循环寿命、首次充放电效率高、倍率性能好的层状富锂锰基正极材料及其制备方法。

本发明提供的这种层状富锂锰基正极材料，其化学式为：

x表示Al的掺杂量，y表示B的掺杂量，其中0x≤0.01，0y≤0.01。

优选的，所述0.005x≤0.01，0.0025y≤0.005。

本发明还提供了所述层状富锂锰基正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将锰盐、镍盐和铝盐配制成混合盐溶液，将混合盐溶液、沉淀剂加入到反应底液中，在保护气氛下进行共沉淀反应，将反应产物干燥后得到镍锰铝三元前驱体；

(2)将锂源化合物、含硼化合物加入到步骤(1)得到的镍锰铝三元前驱体中，研磨后得到混合物；