[发明专利]氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法。该氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，包括三元正极材料基体和包覆层，包覆层由氮化物和石墨化碳组成，且石墨化碳在氮化物的包覆过程中原位形成。本发明在三元正极材料表层包覆氮化物的过程中，原位生成了石墨化碳层结构，相比较物理混合的方法，原位生成的碳层与基体材料连接更加紧密，导电网络更加密集，从而最大限度提升材料倍率性能；该三元正极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性，其制备方法工艺流程简单，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的能源储存和转化装置，凭借其工作电压高、能量密度大、库伦效率高、无记忆效应、循环寿命长和对环境影响友好等优点，广泛应用于便携式消费电子设备、新能源汽车和储能电网等领域。锂离子电池的正极材料决定着电池的综合性能，在目前主流正极材料中，三元正极材料LiNi_xCo_yM_1-x-yO₂(M＝Mn或Al)由于具有较高能量/功率密度和低温性能，因此成为了研究重点。

随着三元材料中Ni含量的提高，材料容量上升，但其结构稳定性变差，究其原因是Ni-O键键能较弱，晶体结构稳定性变差，尤其是充放电过程中，高活性的界面和电解液发生氧化还原反应，生成非活性岩盐相结构，造成电解液分解，同时释放大量热量，导致电芯胀气、安全性能下降、放电容量衰减以及循环稳定性恶化等一些列问题。目前解决这一问题的主要技术手段之一是进行包覆，包覆剂不仅能够有效避免高活性正极界面和电解液直接接触，缓解副反应发生，而且还能作为快离子导体，为锂离子扩散传输提供良好的通道，进而提升改善倍率性能。目前包覆剂主要有氧化物，如Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、B₂O₃、SiO₂等，尽管该氧化物包覆剂能够改善上述界面稳定性问题，但氧化物大部分属于半导体，电子电导率较低，不能满足大电流充放电要求。相比较氧化物，氮化物具有更好的耐化学腐蚀性，更加优异的电子电导率和热稳定性，作为包覆剂能够更大限度提升三元材料电性能。

目前存在的氮化物包覆技术中，如中国发明专利CN113097459A所公开内容，采用气相沉积包覆方法，该气相反应流程复杂，不易规模化生产。中国发明专利CN112174222A所公开的方法中将待包覆三元正极材料和钛源、含氮化合物进行一步法混合烧结，制备氮化钛包覆三元正极材料，尽管该方法过程简便，便于工业化生产，但在制备过程中，含氮化合物的还原性气体会存在直接与三元材料反应的可能性，从而破坏三元正极主体材料晶格结构，影响材料电性能发挥。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料及其制备方法，用以解决现有技术中气相沉积包覆法工艺流程复杂，一步法混合烧结法容易破坏三元正极主体材料晶格结构、影响材料性能的技术问题。

本发明的第一方面提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料，包括三元正极材料基体和包覆层，包覆层由氮化物和石墨化碳组成，且石墨化碳在氮化物的包覆过程中原位形成。

本发明的第二方面提供一种氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：

提供三元正极材料基体；

通过湿法包覆使包覆元素包覆于三元正极材料基体表面获得中间产物；其中，包覆元素为Al、Si、Ti、Zr、Ta、Nb中的一种或多种；

将中间产物与含碳氮化合物混合均匀，经烧结、粉碎、过筛和除铁，得到氮化物/石墨化碳纳米片包覆三元正极材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：