[发明专利]镧铝掺杂的高镍层状氧化物材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种镧铝掺杂的高镍层状氧化物材料的制备方法，将镍源、钴源和锰源溶解在去离子水中得到混合金属盐溶液；将铝源加入到氨水中形成AlO₂^‑氨水溶液，与混合金属盐溶液反应得到含镍钴锰的高镍三元前驱体材料，再和镧源在乙醇溶液反应得到镧铝共掺的高镍三元前驱体混合物，再和锂源混合后得到前驱体混合物，将前驱体混合物煅烧、研磨得镧铝掺杂的高镍层状氧化物材料。本发明提供的制备方法工艺简单，制备得到的材料倍率性能和循环性能均较为优异，在高温、高压测试条件下仍能维持良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种镧铝掺杂的高镍层状氧化物材料的制备方法。

背景技术

随着世界各国现代化的不断发展和人口数量的不断增长，传统的石油、天然气、煤等燃料矿石能源已经慢慢地被使用殆尽；与此同时，使用化石燃料所排放的有毒、有害气体不仅对人体产生危害，而且导致温室效应等环境问题，最终会使得人类社会面临能源危机和环境恶化的两个巨大挑战。因此构建一个基于清洁和可持续能源的低碳社会已经成为当今世界最重要的话题之一。太阳能、风能、地热能和潮汐能代表典型的可持续再生清洁能源，然而它们在不同时间和空间的分布是不断发生改变的，从而需要更为有效的能量开发以及储存方式。化学电池作为一种能源储存以及转化的装置为解决能源危机及环境污染问题发挥着不可替代的作用。锂离子电池具备高的能量密度、安全可靠、使用寿命长，充放电效率高，无记忆效应等特点理所因当地成为当前储能邻域的主导力源泉。

以镍钴锰为基础的三元正极材料（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂）因其具备高的可逆容量、低成本以及优异的循环性能，目前，已经被应用于各类便携式商用电子产品如手机、笔记本、电动自行车、数码相机等。在这类层状氧化物材料中镍的含量越高，实际的可逆比容量越高，当镍的含量大于80%时，其放电比容量可达200 mAh g^-1，但是当镍的含量变高时，稳定结构的锰以及提高材料的电子导电率的钴的含量都会降低，随之带来的是材料的循环性能以及倍率性能都会急剧地降低。包覆、掺杂、核壳以及浓度梯度是提升高镍材料循环稳定性最主要的方法。但是很少有将四者同时兼顾，并且单一方法很难对电性能各个方面都得到显著的提升。

因此，制备一种同时兼有包覆、掺杂、核壳以及浓度梯度高镍材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中三元层状氧化物正极材料的循环性能差、锂离子扩散速率小、体积应变大等技术瓶颈，提供一种镧和铝共同掺杂高镍正极材料的制备方法。本发明提供的制备方法工艺简单，后处理容易；改性的镍钴锰酸锂正极材料形成了一个镧和铝均匀掺杂的层状核心，一个纳米级的浓度梯度层以及一个纳米级的氧化物的壳，而且三个结构完美地结合形成一个完整的二次颗粒；改性的层状氧化物正极材料的电导性、不同电压下的电化学性能和循环稳定性都得到了显著的改善。

镧铝掺杂的高镍层状氧化物材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：将镍源、钴源和锰源溶解于去离子水中得到混合金属盐溶液；所述镍源、钴源和锰源中镍、钴、锰的摩尔比为0.8：0.1：0.09。混合金属盐溶液的金属离子总浓度为1.5～2.5mol/L。

S2: 将浓氨水稀释成氨水溶液；所述氨水溶液的浓度为1.5～2.5mol/L；优选的氨水浓度为2 mol/L。

S3：将铝源加入到氨水溶液中形成AlO₂^-氨水溶液；AlO₂^-氨水溶液的AlO₂^-浓度为0.005-0.1mol/L，优选的AlO₂^-的浓度为0.2mol/L。