[发明专利]一种高电压高倍率型复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种高电压高倍率型复合正极材料及其制备方法和应用，属于电极材料技术领域。本发明提供的高电压高倍率型复合正极材料，包括四方相钛酸钡纳米颗粒和单晶富镍三元正极材料，所述四方相钛酸钡纳米颗粒分散铆合在单晶富镍三元正极材料表面。本发明借助具有高介电特性的四方相纳米钛酸钡，在单晶富镍三元正极材料构建锂离子快速穿梭通道，提升了锂离子的传输性；且得益于在单晶富镍三元正极材料表面均匀分散的钛酸钡颗粒，在正极表面形成均匀分布的锂离子传输通道，抑制电极的极化现象，因此提高了单晶富镍三元正极材料在高倍率、高截至电压以及长时间循环下的电化学性能和结构的稳定性。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种高电压高倍率型复合正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

富镍三元正极材料LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O₂(简称NCM)由于其高比容量，成本低，对环境友好等优势而备受研究者关注。目前，正极材料能量密度的提升有两种途径，一是高镍化路线，用以提高电极材料的克容量；二是单晶化路线，用以提升电极材料的电压。

与多晶结构相比，单晶结构的NCM正极材料结晶度更高、层状结构更稳定、各向异性特征，使单晶结构在循环性能、热稳定性以及产气量等指标上都要优于传统的多晶NCM正极材料。尽管单晶NCM拥有以上优势，但是单晶更大的颗粒尺寸(3-10μm)以及极少暴露的Li⁺扩散面，导致其在倍率性能方面的表现欠佳，在高倍率下的电化学性能不具优势。且快充过程中，单晶结构正极材料的极化(欧姆，浓差和电化学)现象更为明显，导致活性材料的利用程度受限，产生过多的热量，电池安全性下降。此外，高电压下的性能的衰减也是单晶正极材料面临的问题。近期美国西北太平洋国家实验室的JieXiao团队研究高电压循环对单晶富镍正极材料(LiNi_0.76Mn_0.14Co_0.7O₂)的结构稳定性的影响，发现晶格中锂原子浓度梯度引起的局部应力积累，引发不可逆(003)晶面滑移以及一定程度的微裂纹(Science370,1313–1317(2020))，导致容量快速衰减，即正极材料的结构稳定性是导致电极容量快速衰减的关键因素。可见，如何保证正极材料在高倍率、高截至电压以及长时间循环下的电化学性能和结构的稳定性是单晶结构的NCM正极材料需要克服的问题。

目前，针对电极材料的高电压和高倍率特性，主要从改善正极材料对锂离子的传输能力和界面结构稳定性角度出发。减小正极颗粒粒径是提高其锂离子传输能力的策略之一。通过减小正极颗粒尺寸，可有效地缩短锂离子的扩散距离；同时颗粒尺寸的减小还可增大其与电解液的接触面积，增加可反应的活性位点，进而提高电极材料的电化学性能。但颗粒尺寸的减少易造成制浆过程的团聚问题，导致浆料的分散性能变差，同时也会造成正极材料与导电剂混合性变差等问题，导致电极材料的电化学性能下降。而目前还通常在正极材料表面包覆电子导电包覆层如碳基材料，导电聚合物；导锂离子包覆层等策略也可提高正极材料的锂离子的传输能力，同时也可改善界面结构问题性问题，改善正极材料在在高压高倍率时存在的电化学性能下降的问题。但采用包覆策略，需在正极表面形成均匀并致密的包覆层，制备工艺过程较为困难和复杂，制备过程条件的调控更为严格。

因此，亟需构建一种能够作为高电压高倍率型复合正极材料的功能纳米颗粒，使复合正极材料在高倍率、高截至电压以及长时间循环下的电化学性能和结构的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电压高倍率型复合正极材料及其制备方法和应用，本发明提供的高电压高倍率型复合正极材料在高倍率、高截至电压以及长时间循环下具有优异的电化学性能和结构的稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高电压高倍率型复合正极材料，包括四方相钛酸钡纳米颗粒和单晶富镍三元正极材料，所述四方相钛酸钡纳米颗粒分散铆合在单晶富镍三元正极材料表面。