[发明专利]一种二元掺杂的单晶三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种二元掺杂的单晶三元正极材料及其制备方法。所述二元掺杂的单晶三元正极材料的化学表达式为Li_1+y+zNi_aCo_bMn_cA_yB_zO₂，其中1＞a＞b≥c＞0，a≥0.5，且a+b+c＝1；0.05≥y≥0.001，0.005≥z≥0.0001，其中A为第一掺杂元素，选自Mg或Al中的至少一种；B为第二掺杂元素，选自Ti、V、B、Sb、La、Ta中的至少一种。本发明提供的单晶三元正极材料，通过调整掺杂物的种类和比例，得到一种综合性能优异的单晶三元正极材料。其放电比容量和循环稳定性均有一定程度的提升，而且4.3V氧释放温度较高，能满足锂电池应用的安全性。同时本发明二元掺杂的单晶三元正极材料的制备方法简单，原料易得，是一种适合大规模商业化生产的锂离子电池用单晶三元正极材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种二元掺杂的单晶三元正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池自1991年经索尼公司成功商业化应用以来，一直在不断地向前发展。锂离子电池因其具有能量密度高、循环寿命长、绿色环保等优越的特性，被认为是新能源领域能源存储器件和动力电源的不二之选；其中为进一步减少烧油类汽车所带来的环境污染，以电为驱动力的电动汽车应运而生，这要求动力电源中的电池在有限的空间，可控的质量范围内，尽可能的携带高品质的电能。目前商业化的锂离子电池正极材料种类主要为：磷酸铁锂(LiFePO₄)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、钴酸锂(LiCoO₂)和镍钴锰(铝)酸锂(三元正极材料，LiNi_xCo_yB_1-x-yO₂，0≤x，y≤1，B为Mn或者Al)，而三元正极材料以其较高的电压平台和较大的实际放电比容量，质量能量密度也更高、放电过程中释放的能量较之其他正极材料品质更高，同时安全性能好，结构稳定，成本低，因此它成为了电动汽车中动力电池正极材料的首选。然而在高电压的使用条件下，三元正极材料在电解液的催化下不稳定，过渡金属Ni、Co、Mn会与电解液发生副反应，导致界面不稳定甚至被破坏。另外，也有文献报道在前驱体重添加一些金属元素，可以改善晶格结构，提高结构稳定性，进而提高正极材料的容量和循环稳定性能。

现有技术中为了解决上述问题，一般都集中在对三元正极材料进行掺杂，掺杂主要包括体相掺杂和表面掺杂。但这些掺杂都存在一定缺陷：掺杂引入的非活性物质元素会导致电池的容量下降，而且一般掺杂后的三元正极材料多为球形二次颗粒，掺杂也局限于二次颗粒的表面，而一次颗粒并没有有效地参与到掺杂过程中去，其在高电压下电池的循环稳定性和安全性仍有待提高。因此，现有技术对三元正极材料进行掺杂的技术中，除了掺杂步骤中对掺杂物质和掺杂方法上需要改进，掺杂后三元正极材料形成大粒径的一次颗粒，即形成单晶三元正极材料少有研究。比如CN103296249A、CN108545785A中记载的方法。但这些掺杂方法中，往往掺杂元素在正极材料中分布并不均匀，进而其容量和稳定性也会受到影响，掺杂后也无法形成大粒径的单晶三元正极材料。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种二元掺杂的单晶三元正极材料，所述单晶三元正极材料具有更高的容量，更好的循环稳定性。通过将主体掺杂元素和另一种非主体掺杂元素定向引入到前驱体表面，以便于能够在不影响材料放电比容量的情况下，使得两种元素能够协同稳定锂电池单晶三元结构中锂离子层和过渡金属层，其目的均在于满足锂离子电池正极材料高安全性的前提下，提高正极材料的放电比容量和使用寿命。

本发明的目的通过以下技术方案实现：