[发明专利]一种特定核壳结构的高功率正极材料及其制备方法

说明书

本发明提供特定核壳结构的高功率正极材料，呈平均粒径为3～15μm的球形或类球形颗粒，由冠状内核和外壳组成；冠状内核的平均直径为2～10μm，冠状内核包括主核和分布于主核表面的突起，突起的平均长度为0.05～0.8μm；外壳的平均厚度为0.5～3μm，由单个或多个一次颗粒在内核表面有序排列构成；分布于主核表面的突起构成连接层，至少部分所述突起与外壳定向连接，连接层的孔隙率为50%～90%。还公开了该正极材料的制备方法。该正极材料性能不受内核收缩率影响，尺寸可控、一致性好，且具有耐压强度高、功率性能优异、循环稳定性好等优点。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，特别涉及一种特定核壳结构的高功率正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有记忆效应小、比能量大、使用寿命长等优势成为电池研究发展的热点方向，发展速度十分迅猛。然而，随着锂离子电池在电动汽车、混合动力汽车等新能源领域得到广泛应用，对其电源的性能，尤其是功率密度等方面提出了越来越高的要求。

正极材料的形貌对功率性能有着很大的影响。具有孔隙结构的多孔材料为目前常见的一种高功率材料。多孔材料自身的比表面积较大，一方面，材料与电解液充分接触，可以储存更多的电解液提高充放电过程中的循环性能。另一方面，多孔结构可以在锂离子电池过充条件下提供更多储存容纳空间，提高其安全性能。其制备方法多为通过添加造孔剂，添加表面活性剂，如专利CN109616664A所述，或制备多孔前驱体的方式，如专利CN112047397A所述。但这两种制备方法均存在明显弊端，添加造孔剂或表面活性剂的方式，即需要引入其它物质且操作复杂，成本较高。而实际工业化生产中，更倾向于工艺简单，成本低的方法。如果制备多孔前驱体，无法对孔径大小精确控制，而孔径过大会加速材料与电解液接触而产生副反应，因此选择适宜的孔径也十分重要。

制备中空材料也是一种改善电池功率性能的方法。中空材料在增大比表面积，使材料与电解液充分接触的同时，其具有的空心结构可以很好的适应体积变化，减轻锂离子重复潜入/脱出过程的体积应变。制备方法常为先制备内外疏松程度不同的前驱体，如发明专利CN111276680A所述，先通过两个反应阶段工艺条件的控制实现中空结构前驱体的制备，后续正极材料烧结时，由于内核与外壳一次颗粒不同，内核的一次颗粒细小并且团聚疏松，烧结时会向外迁移，最终在正极材料的内部留下空洞。然而，通过控制前驱体内外疏松程度的制备方法无法保证内核的收缩率，导致最终呈现的孔洞大小不均匀，影响材料的功率性能。此外，中空材料的内部孔洞会导致二次团聚球不耐压，在高电压或较大电流充放电条件下易从晶界间发生结构剥离和坍塌，引发电池在高温循环过程中容量大幅衰减，给大规模应用形成阻碍。

专利CN107112515 A虽提供了一种异于中空形貌的正极材料，由核、壳及缓冲层构成，但其制备方法与中空材料类似，是通过烧结后向内部收缩形成了内核及缓冲层，该方法无法确保内核的收缩率以及形貌的一致性。且由专利中描述，核的半径与正极材料半径之比大于0且小于0.4，无法有效改善二次团聚球在高电压或较大电流充放电条件下引起的结构坍塌问题。因此，开发一种结构稳定，内核形貌可控的高功率正极材料显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有多孔材料和中空材料存在的缺陷，提供一种特定核壳结构的高功率正极材料，该材料结构稳定、耐压强度高、功率性能优，循环稳定性好。

为实现以上目标和解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种特定核壳结构的高功率正极材料，所述正极材料呈平均粒径为3～15μm的球形或类球形颗粒形貌，由冠状内核和外壳组成；

所述冠状内核的平均直径为2～10μm，所述冠状内核包括主核和分布于主核表面的突起，所述主核由多个一次颗粒紧密团聚成二次球或类球，所述突起的平均长度为0.05～0.8μm，由单个或多个一次颗粒构成；

所述外壳的平均厚度为0.5～3μm，由单个或多个一次颗粒在内核表面有序排列构成；