[发明专利]一种金属氧化物及锂离子电池的合成

说明书

本申请涉及一种金属氧化物及锂离子电池的合成。具体地，本申请选择以Co₃O₄为主体的钴氧化合物作为钴酸锂的前驱体，在Co₃O₄的颗粒中进行阴离子掺杂，以得到掺杂型的钴酸锂前驱体，该前驱体的通式可以表示为Co₃(O_1‑yM_y)₄，其中0y0.2，其中阴离子M包括F、P、S、Cl、N、As、Se、Br、Te、I或At元素中的至少一者。包含由该前驱体制备的钴酸锂正极材料的锂离子电池在高电压充放电环境下表现出良好的循环稳定性。

技术领域

本申请涉及一种金属氧化物及其制备方法，具体地该金属氧化物可用作合成钴酸锂正极材料的前驱体。

本申请还涉及采用上述钴酸锂正极材料制备的锂离子电池。

背景技术

随着人们对能源需求的日益增长，以及应对环境的挑战，需要我们更多地利用可再生能源。目前将可再生能源转化为电能的设备中，电池以其高的能量密度和适中的功率密度更适合目前人类对于储能的要求。锂离子电池相比其它铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等，具有储能密度高、功率密度大、安全性好、环境友好、寿命长、自放电率低及温度适应范围宽等优点。目前，大中型电动工具、储能电站、电动车和智能电网等应用对锂离子电池的安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、价格和环境友好等方面都提出了更高要求。

近年来，人们对锂离子电池正极、负极、隔膜和电解质展开了广泛的研究，而其中正极材料是锂离子电池的关键因素之一。从上世纪70年代开发使用锂离子电池起，经过多年的广泛研究，多种锂嵌入化合物可作为锂离子电池的正极材料。而在众多的锂离子电池的正极材料中，钴酸锂凭借较高的放电电压平台和较高的体积能量密度成为了3C电子产品领域的主流材料。

发明内容

尽管钴酸锂凭借其自身优势成为了当前锂离子电池的重要的正极材料，但是其在高电压充放电下会出现不可逆相变和结构坍塌，导致自身层状结构遭到破坏，且与电解液的接触反应会导致颗粒表面破坏并出现产气现象，进而影响电池的安全性能，破坏电池的使用寿命。换而言之，钴酸锂材料在高电压条件下工作时，其热稳定性和电化学稳定性较差，而这会显著降低电池的电化学性能和安全性能，难以满足人们对锂离子电池的使用需求。

在当前现有技术中，一般将元素掺杂至钴酸锂中来实现高电压下结构的稳定性。常规的掺杂方式是将钴源、锂源和掺杂物混合后经高温烧结得到掺杂的钴酸锂材料，然而，上述掺杂方式只能实现掺杂元素在氧化钴表层的富集，而掺杂元素难以扩散到氧化钴的体相中以实现体相掺杂。材料的掺杂将直接影响正极材料的结构稳定性，进而影响材料的电化学性能，而采用传统的工艺方法实现材料体相掺杂存在一定难度。因此，需要获得一种简单易行且适用于工业化生产的方法来实现掺杂元素的体相分布。

为了解决上述技术问题，本申请提供一种金属氧化物以作为合成钴酸锂正极材料的前驱体从而获得合成耐受高压的高能量密度的钴酸锂正极材料。同时，本申请还提供了制备该前驱体的方法，该方法成本低廉、流程简单、反应条件易于控制、且适用于工业化生产。

此外，本申请还提供了采用上述前驱体制备的钴酸锂正极材料，以及采用此钴酸锂正极材料制备的锂离子电池(例如：锂离子二次电池)。

具体地，根据本申请的一个方面，本申请提供一种金属氧化物，其通式为

Co₃(O_1-yM_y)₄，其中阴离子M包括N、F、P、S、Cl、As、Se、Br、Te、I或At元素中的至少一者，且其中0y0.2。

在一些实施例中，在所合成的金属氧化物Co₃(O_1-yM_y)₄中，y的范围为0.001≤y≤0.05。