[发明专利]一种单晶三元正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种单晶三元正极材料及其制备方法和应用，该单晶三元正极材料化学式为LiNi_xCo_yMn_zM_{(1‑x‑y‑z)}O_c@Li_aN_dO_b，0＜x≤0.65，0＜y≤0.15，0＜z≤0.35，0＜a≤6，0＜b≤4，1＜c≤2，1≤d＜2；M和N为Zr、Ni、Al、Cu、Co、Sr、Mn、Y、Ti、Mg、Mo、B、Sn、Fe、Zn、Si或W中的至少一种。本发明的单晶三元正极材料是一种核壳结构的单晶材料，表面残锂低、内外部结构稳定，能量密度高，循环性能和动力学性能优异。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种单晶三元正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

三元正极材料因其比容量高、比能量密度高、循环好、安全和成本低等原因，一直得到了新能源行业的关注。一般为了得到更高的容量，三元材料的研发方向主要分为以下两种：第一个方向是提高镍含量，制备高镍材料，但是Li和Ni相似的半径，Ni与Li发生交换导致锂镍混排，锂层中镍离子浓度越大，锂在层状结构中的脱嵌越难，材料的稳定性越差，安全性也就越差，同时成本较高；第二个方向是提高材料的充放电电压，让三元材料晶格里面的锂更大程度的脱出和插入，导致材料的结构不稳定，以及在高电压下正极材料与电解液的表面副反应加剧，消耗晶格锂和阻碍锂的传输，导致材料循环恶化以及产气严重。

目前，针对高电压下材料的循环以及产气问题，主要通过改善材料基材的稳定性、降低材料的表面积和隔绝材料与电解液的直接接触等方向。处理方式主要是掺杂提高材料本身的安全稳定性，主要是在脱出更多的锂的情况下，能够支撑柱层状材料的结构，掺杂主要是锆、钛、铝、钨、镁、钪、钒、钙、锶、钡、镓、铟等元素的掺杂。包覆稳定的包覆层和增大单晶粒子的大小减少材料与电解液的接触反应和金属溶解效应，从而减少电芯的产气、循环等问题，一般包覆用金属氧化物(Al₂O₃，TiO₂，ZnO，ZrO₂等)修饰三元材料表面。但是在高电压下，为了维持材料稳定的结构，掺杂元素的含量有点偏高，过多的掺杂，材料结构稳定，但是材料的容量会有点偏低。材料的包覆以及大颗粒会引起材料的DCR增加，特别在放电电位较低的情况下，电解液中的锂离子难以进入到正极材料的晶格中，导致材料容量偏低以循环变差。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种单晶三元正极材料及其制备方法和应用，该单晶三元正极材料的结构稳定、容量高，循环性能和动力学性能优异。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单晶三元正极材料，其化学式为LiNi_xCo_yMn_zM_(1-x-y-z)O_c@Li_aN_dO_b，其中0＜x≤0.65，0＜y≤0.15，0＜z≤0.35，0＜a≤6，0＜b≤4，1＜c≤2，1≤d＜2；所述M为Zr、Ni、Al、Cu、Co、Sr、Mn、Y、Ti、Mg、Mo、B、Sn、Fe、Zn、Si或W中的至少一种；N为Zr、Ni、Al、Cu、Co、Sr、Mn、Y、Ti、Mg、Mo、B、Sn、Fe、Zn、Si或W中的至少一种。

优选地，所述单晶三元正极材料的化学式LiNi_0.596Co_0.05Mn_0.35M_0.004O_c@Li₂N_dO₄；所述M为Zr、Zn、Si或W中的至少一种；所述N为Zr、Al、Mo、Zn、Si或W中的至少一种，其中x＝0.596，y＝0.05，z＝0.35，a＝2，b＝4，1＜c≤2，1≤d＜2。