[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本申请公开了一种锂离子电池正极材料及其制备方法和锂离子电池，该锂离子电池正极材料包括内核第一包覆层和第二包覆层，内核包括掺杂金属元素的镍钴锰三元材料；第一包覆层为形状记忆合金层，第二包覆层为氧化物包覆层，形状记忆合金层包覆于内核的表面；氧化物包覆层包覆于形状记忆合金层的表面。本申请锂离子电池正极材料结构稳定，在保证其本身性能的同时，具备抑制和消除正极材料颗粒裂缝或破碎的自适应能力。

技术领域

本申请涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

镍钴锰酸锂三元正极材料因其高的能量密度和适中的成本，被认为是理想的锂离子电池正极材料。锂离子电池正极材料的结构稳定性对电芯的寿命重要影响。而在锂离子电池的实际使用过程中，通常因为锂离子在正极材料体相的反复脱出和嵌入产生的应力，会使材料的晶胞参数发生变化甚至晶胞结构变化，进而会造成正极材料的产生微裂缝，而微裂缝的扩散进一步会导致贯穿整个材料颗粒的裂缝的产生，甚至整个材料的颗粒的破碎。无论是裂缝的产生还是颗粒的破碎，都将导致新鲜表界面的形成，而电解液和正极材料会在新鲜界面中发生副反应，可能产生以下后果：电解液的消耗速度较快，活性锂离子的损失，正极SEI膜的变厚，以及正极表面相变，而这些副反应产生的后果将导致电芯性能的退化甚至失效。

对此，目前常见的改善镍钴锰酸锂三元正极材料颗粒微裂纹和颗粒破碎的方式主要有以下五种：1)限制镍钴锰酸锂三元材料中镍元素含量，控制材料的锂离子脱嵌深度，抑制“H2-H3”相变；2)限制镍钴锰酸锂三元材料的使用电压，控制材料的使用容量；3)材料纳米化，利用纳米材料的纳米效率，降低材料的脱嵌锂过程产生的应力；4)材料表面包覆，减少材料颗粒形成裂纹和破碎后和电解液接触面积，抑制副反应的发生；5)材料体相掺杂，通过体相掺杂对材料的体相结构进行微调，提高材料的结构强度。但这些方式存在相应的缺点：其中，1)和2)两种方式均牺牲了材料的能量密度；对于方式3)，材料纳米化的合成成本高，且纳米材料的体积能量密度低；对于方式4)，目前技术包覆层通常无法完全覆盖新鲜形成正极材料表界面，材料脱嵌锂过程的应力会导致包覆层的脱落；而对于方式5)，体相掺杂对材料体相结构的强度改善幅度小，对微裂纹和破碎的抑制效果有限。

因此，迫切需要提供一种可有效改善镍钴酸锂三元材料颗粒微裂纹和颗粒破碎，且不影响材料本身性能的方法。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种锂离子电池正极材料及其制备方法和锂离子电池。

本申请的第一方面，提供一种锂离子电池正极材料，包括内核、第一包覆层和第二包覆层，所述内核包括掺杂有掺杂元素的镍钴锰三元材料；所述第一包覆层为形状记忆合金层，所述第二包覆层为氧化物包覆层，所述形状记忆合金层包覆于所述内核的表面；所述氧化物包覆层包覆于所述形状记忆合金层的表面。

根据本申请实施例的锂离子电池正极材料，至少具有如下有益效果：该锂离子电池正极材料的内核采用掺杂有掺杂元素的镍钴锰三元材料，通过掺杂元素的掺杂以提高材料体相结构的稳定性。另外，在内核的外表面依次设置形状记忆合金层和氧化物包覆层，其中，形状记忆合金层在内部材料颗粒产生应力的时候发生奥氏体向马氏体转变，转变过程消耗材料颗粒产生的应变能，进而可抑制甚至消除由材料颗粒产生应力导致的裂纹和破碎，维持正极材料结构的稳定性，进而可提高使用该正极材料的锂离子电池的寿命，另外，由于形状记忆合金本身为金属合金，其电化学性能强，在充放电过程中，若与电解液直接接触，金属合金本身的催化活性会造成电解液的分解，且金属合金在充放电过程中会发生氧化反应而溶解于电解液中，这一方面会导致形状记忆合金框架的坍塌，另一方面金属离子在负极析出会导致刺破隔膜造成电芯短路，发生安全事故，对此，在形状记忆合金层的表面包覆氧化物包覆层，可对材料即有表界面以及形成表界面进行保护，阻止形状记忆合金层与电解液的反应，确保形状记忆合金层的稳定性，并且形状记忆合金层对应力的吸收可保证表面氧化物包覆层的稳定性，使其不会因为材料内部的应力导致表面氧化物包覆层的破碎。