[发明专利]锂盐和正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种锂盐和正极材料及其制备方法和应用。所述掺杂型锂盐包括锂盐以及分散于锂盐中的掺杂元素；锂盐由Li_xQ·nH₂O表示；0＜x≤2，0≤n≤5，Q选自OH^‑、O^2‑和CO₃^2‑中的一种或多种；掺杂元素由yM_zR_m表示，0＜y＜1，0＜z≤2，0＜m≤6；R选自F^‑、OH^‑、O^2‑和CO₃^2‑中的一种或多种；M选自Sr、Ba、Al、W、Si、Li、Ti、Y、Mg、Nb、Co、Zr、Mo、Ta、La和Er中的一种或多种。该方法有效改善目标产物的结构稳定性，提高锂离子电池的循环寿命和安全性；并且，能够通过提升充电电压来进一步提高锂离子电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂盐和正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

正极材料是决定锂离子电池能量密度的关键因素之一。鉴于近年来市场对锂离子电池能量密度要求的不断提高，以及正极材料对锂离子电池能量密度的关键作用，正极材料作为研究热点持续受到研究者及市场的关注。

提升锂离子电池正极的能量密度主要通过提高活性物质的克容量和正极极片压实密度来实现，提高活性物质的克容量一般又可以通过提升Ni含量和提高充放电电压窗口来实现。提升Ni含量通常会导致生产过程控制成本的大幅增加以及电池安全性的急剧恶化；提高充放电电压窗口可能又会导致循环性能的严重衰减。循环性能衰减的主要原因在于：充电电压较高时，锂离子从正极材料层状结构中脱出较多，导致层状结构部分坍塌，放电过程中锂离子无法返回。

通过对正极材料进行掺杂可大幅改善上述问题。正极材料掺杂的最普遍方式为火法掺杂，但是随着市场要求的不断提高，以及正极材料的持续发展改进，简单的火法掺杂不再能够满足需求：添加剂易团聚成块，无法均匀掺杂入正极材料结构中，对掺杂效果产生了严重影响。

为解决掺杂元素无法有效分散到正极材料中的问题，目前正极材料厂一般通过以下手段改善：①增加掺杂添加剂的使用量。使添加剂大幅过量，保证所有正极材料颗粒均能够得到有效掺杂；②提高原材料的混合强度。大幅增加前驱体、添加剂与锂源的混合强度，通过不同原材料间的充分摩擦来减小添加剂的团聚，增强分散效果；③减小掺杂添加剂的颗粒尺寸，将其制备成纳米级材料，更易于均匀分散在制备正极材料的原材料表面(CN108269998A)；④在前驱体合成阶段引入添加剂元素，使其与过渡金属元素达到分子级别的均匀混合，并共同沉淀(CN102339984A)。

虽然目前已有多种途径来改善掺杂添加剂元素的分散问题，但是每种方法仍存在较大的缺点和局限性，不能完全解决相关问题：①过量的添加剂不仅增加了原材料成本，而且会严重影响正极材料的加工性能和电性能；②提高原材料的混合强度对掺杂元素分散性的改善作用效果比较有限，并且会大幅增加混合设备的损耗，混合过程极易引入金属异物等杂质；③使用纳米化的添加剂改善作用较明显，但会大幅增加添加剂原材料的加工成本；④将掺杂元素与过渡金属共同沉淀形成掺杂型前驱体的改善作用也较明显，但是使用范围有限，仅针对酸性和中性环境下能够形成溶液并且碱性环境下能够沉淀的元素较可行；并且通用性较差，每款正极材料均需要对应一款独特的前驱体材料。

因此，对如何能够有效提高掺杂添加剂元素的分散性，从而进一步改善锂离子电池能量密度、循环寿命和安全性的研究和开发具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的掺杂添加剂元素无法有效分散的难题，提供一种锂盐和正极材料及其制备方法和应用，该方法通过将掺杂元素分散在锂盐中，在锂盐与其他原材料反应生成目标产物的过程中，掺杂元素能够有效分散进入目标产物中，从而有效改善目标产物的结构稳定性，提高锂离子电池的循环寿命和安全性；并且，能够通过提升充电电压来进一步提高锂离子电池的能量密度。