[发明专利]一种锂离子电池富锂锰基正极材料的磷、钨共掺杂改性制备方法

说明书

本发明公开了一种一种锂离子电池富锂锰基正极材料的磷、钨共掺杂改性制备方法，主要是通过共沉淀反应对前驱体材料实现磷和钨元素的液相法掺杂，将含有磷和钨元素的前驱体材料与锂源进行混合高温烧结，制备出Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54W_xP_yO₂富锂锰基正极材料，其中0.01x0.05，0.001y0.01。该方法合成的磷、钨掺杂富锂正极材料避免了固相掺杂带来成分分布不均匀性问题，有效保证了产品的一致性。并且，该方法合成出的正极材料表现出了优异的电化学循环稳定性以及倍率性能，可实现简单规模化生产，具有较大的实际应用价值。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料和电化学领域，涉及一种锂离子电池富锂锰基正极材料的磷、钨共掺杂改性制备方法。

背景技术

非再生化石能源的过度开发与使用对全球生态系统带来严重威胁，绿色可持续的发展理念逐步深入人心。锂离子电池作为一种高效储能器件给人类的生活提供了诸多便利。从3C电子产品到轨道交通工具，锂离子电池均扮演着重要角色。自1990年钴酸锂作为第一代商用化锂离子电池被Sony公司应用于手机产品以来，锂离子电池在科学与技术两大领域均受到了广泛关注。

目前而言，三元LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂材料由于其高的比容量、优良的安全性、良好的工作电压与目前现有电解液体系匹配度、相对于LiCoO₂有着更为低廉的价格等特点而被作为当前锂离子动力电池的首选材料。然而，传统的化学Li化学计量比的层状正极材料，由于其有限的晶格Li从而限定了该材料所能达到的理论能量密度上限；以及Ni/Co作为战略资源的价格相对较高。这些内外部的不利因素使得人们迫切希望可以发展出价格低廉且能量密度较高的下一代锂离子电池体系。其中，决定锂离子电池性能的关键因素在于正极材料容量的突破。2001年Jeff Dahn等人首次报道Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂层状固溶体材料在4.5V以上独特的充放电机制，可提供220mAh g-1的高容量。自此，富锂材料氧化物正极材料得以广泛研究。通常认为这类该材料可以给出250mAh/g的放电比容量，这类材料与石墨负极组装成的全电池体系可以给出350Wh/kg的能量密度。因此富锂层状氧化物正极材料也被认为是最有希望的下一代锂离子电池正极材料之一。

但是，就目前的技术层面而言，在市场上对于富锂锰基层状氧化物正极材料，具有规模性的商用化产品屈指可数，在动力储能领域的应用几乎是一片空白。究其可能的原因大概有以下四种：一是该类材料首圈较大的不可逆容量损失，这在一定程度上对于全电池体系的构筑带来了一定的困难；二是该类材料存在着严重的电压衰减现象，100圈循环后的电压衰减可达到200mV以上，这就使得该类材料的能量密度随着电压的衰减大打折扣；三是较差的倍率性能，具体来说该类材料1C的容量保持率仅为0.1C容量的75％左右，更高倍率下性能则表现更差，脱嵌锂过程需要较高的活化能垒，使得该类材料在快充领域的优势较弱；四是由于材料本身的真密度较低，使得材料的压实密度较低，从而使得该类材料在压实密度上的不具优势。综上四点作为富锂材料商业化之路上的四大难题，虽经过科研人员十几年的不懈努力，从材料制备到机理研究，该类材料的在商业化进程中并未取的任何实质性的突破。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种P、W元素在一次颗粒内部均匀化掺杂的技术手段，在一次颗粒级别生成具有Li₃PO₄快离子导体特性的富锂锰基氧化物正极材料。该方法在不牺牲材料容量的前提下稳定了材料的结构改善了富锂材料的循环稳定性和倍率性能。

本发明的技术方案如下：