[发明专利]一种无钴锂离子电池层状正极材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种无钴锂离子电池层状正极材料及其制备方法和应用。本申请的无钴锂离子电池层状正极材料为锂层和不含钴的过渡金属氧化物层交替堆叠构成的层状正极材料，锂层中具有3‑7％的阳离子反位，阳离子反位是所述过渡金属氧化物层中的过渡金属进入锂层占据锂离子的位置而形成。本申请的无钴锂离子电池层状正极材料，在不使用钴离子的情况下，仍然具有优异的电化学性能；并且，由于不需要使用高价的金属钴离子，解决了钴依赖性导致的成本问题。本申请的无钴锂离子电池层状正极材料制备方法简单，易于大规模的工业化生产。

技术领域

本申请涉及电池材料领域，特别是涉及一种无钴锂离子电池层状正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着汽车工业向电气化过渡，可充电电池也必须满足未来的需求。尽管提高电池性能的努力已经取得了一些成功，但目前却因成本过高而受阻。这些与电池成本有关的挑战主要与快速上升的价格和对过渡金属(TMs)的需求增加有关，钴作为广泛使用的商业化正极核心材料的成分尤为短缺，如LiCoO₂，LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂等正极材料。近年来，由于采矿特许权使用费的增加，以及非洲的政治和道德问题，Co在经济上变得毫无吸引力。为应对这些成本上的压力，研究人员为开发不必过多权衡电池性能的低钴甚至无钴正极做出了巨大努力。尽管包括富锂和富锰正极、高压尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄和无从序岩盐相材料等一些正极已被强调为含钴正极的可能替代品，但是，这些替代正极材料具有不实用的容量和稳定性，难以用于大规模商业用途。因此，目前对低Co依赖性的研究主要集中在层状氧化物正极上。富镍层状氧化物正极材料具有较高的容量和能量密度。然而，由于电池性能和热稳定性显著降低，用镍直接代替钴，例如LiNiO₂，实际上是不可行的。因此，设计无钴的高性能锂离子层状正极材料已经成为重要的挑战。

通常认为，Co通过减少富Ni组分中Li/Ni混排来抑制结构缺陷，并获得结晶良好的层状结构。这有助于确保富镍正极的倍率性能，但在循环过程中对结构稳定性的影响尚不清楚。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的无钴锂离子电池层状正极材料及其制备方法和应用。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种无钴锂离子电池层状正极材料，该无钴锂离子电池层状正极材料为锂层和不含钴的过渡金属氧化物层交替堆叠构成的层状正极材料，锂层中具有3-7％的阳离子反位，阳离子反位是过渡金属氧化物层中的过渡金属进入锂层占据锂离子的位置而形成。因此，锂层中具有3-7％的阳离子反位，是指锂层中，有3-7％的锂离子被过渡金属离子替换，形成反位结构。

需要说明的是，本申请的关键在于，在不添加Co的情况下，通过调节层状正极材料中过渡金属的用量和比例，以及调控制备参数，获得锂层中阳离子反位比例为3-7％的无钴锂离子电池层状正极材料。本申请的无钴锂离子电池层状正极材料，在不使用Co的情况下，同样具有优异的电化学性能，特别是循环稳定性和热稳定性会得到提高；并且，本申请的无钴锂离子电池层状正极材料制备方法简单，易于大规模的工业化生产。

本申请的一种实现方式中，过渡金属氧化物层的主要过渡金属为镍和锰。

优选的，镍和锰的摩尔比为6:4至99:1。

优选的，本申请的无钴锂离子电池层状正极材料中，锂元素与其它金属元素的摩尔比为1-1.1:1。其中，其它金属元素是指除了锂以外的金属元素，例如镍、锰，如果还有其它掺杂金属元素的话，也包括掺杂金属元素。