[发明专利]三元正极材料的掺杂和包覆方法、三元正极材料和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种三元正极材料的掺杂和包覆方法、三元正极材料和锂离子电池。包括：1）采用硅酸盐、掺杂金属源、镍源、钴源和锰源，共沉淀法制备三元正极材料前驱体一步共沉淀法制备三元正极材料前驱体，一次烧结，得到硅和掺杂金属元素共掺杂的三元正极材料内核；2）采用硅酸盐的饱和溶液作为底液，对所述的三元正极材料内核进行清洗，清洗过程中加入金属盐进行沉淀包覆，脱水后二次烧结，得到掺杂包覆后的三元正极材料。本发明的方法操作简单、掺杂包覆均一性得到了保障、同时有利于适当降低成本。制备得到的正极材料掺杂包覆效果良好，可有效解决产气问题，提升循环性能。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，涉及一种三元正极材料的掺杂和包覆方法、三元正极材料和锂离子电池。

背景技术

高比容量、高循环稳定性和高安全性的高镍三元正极材料近几年一直是一个研究热点，掺杂和包覆改性是实现高镍三元正极材料上述性能的必要手段，常规的掺杂方法是加入纳米金属氧化物或者氢氧化物等混合均一后进行煅烧，需要额外增加磨料、混料等工艺，操作复杂，混合效果一般；而包覆也是加入纳米金属元素材料混料烧结，操作同样的复杂；难以保证所有批次的均一度。

现有高镍材料一般采用锆、钛、铝、钨、镁、钪、钒、钙、锶、钡、镓、铟等的掺杂，一定程度上改善了材料的结构稳定性和导电性，同时通过包覆锆、钛、铝、钨、镁、钪、钒、钙、锶、钡、镓、铟等金属氧化物实现了材料与电解液的大部分隔离，大大降低了产气量。例如CN105932243A通过在镍钴铝三元材料表面均匀包覆导电高分子材料，可使其循环性能得到有效改善，高温产气问题得到克服。CN111785957A通过对镍钴锰三元正极材料进行W和Nb的共掺杂，提供一种类单晶三元正极材料，获得了产气低、高安全、长循环的性能优势。

但是，现有的包覆和掺杂方法在提高安全性、降低产气和提高循环性能等方面仍有待进一步改善，而且，现有的包覆和掺杂方法工艺繁琐，制备成本高，不利于工业化生产。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种三元正极材料的掺杂和包覆方法、三元正极材料和锂离子电池。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种三元正极材料的掺杂和包覆方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）采用硅酸盐、掺杂金属源、镍源、钴源和锰源，一步共沉淀法制备三元正极材料前驱体，一次烧结，得到硅和掺杂金属元素共掺杂的三元正极材料内核；

（2）采用硅酸盐的饱和溶液作为底液，对所述的三元正极材料内核进行清洗，清洗过程中加入金属盐进行沉淀包覆，脱水后二次烧结，得到掺杂包覆后的三元正极材料；所述硅酸盐的使用量占所述三元正极材料内核总质量的0.05%~0.5%。

本发明的方法中，硅酸盐的使用量占所述三元正极材料内核总质量的0.05%~0.5%，例如0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、0.4%或0.5%等。

本发明的方法中，通过调整步骤（1）掺杂金属源和硅酸盐的使用量，可以调控最终的掺杂效果。通过调整（2）清洗过程中各参数可以调控最终的包覆效果。

本发明的方法在前驱体合成阶段掺杂非金属元素硅以及其他金属元素（例如可以是钙、镁、铝、钛、钨、锆、钪等中的至少一种），通过配制好相应的溶液一步共沉淀，经一次烧结后得到硅和掺杂金属元素共掺杂的三元正极材料内核。然后在饱和硅酸盐溶液中进行清洗脱碱的同时进行各种金属元素的沉淀实现包覆，达到脱碱和包覆的双重效果，整个掺杂和包覆过程都在溶液中通过湿法沉淀完成的，省去了繁琐的磨料和混料操作，本发明的方法操作简单、掺杂包覆均一性得到了保障、同时有利于适当降低成本。制备得到的正极材料掺杂包覆效果良好，可有效解决产气问题，提升循环性能，电性能检测无异常。

本发明的方法尤其适用于高比容量、高循环稳定性和高安全性高镍三元正极材料体系。