[发明专利]一种无钴正极材料及其制备方法与锂离子电池

说明书

一种无钴正极材料及其制备方法与锂离子电池。无钴正极材料的分子式为Li_1+nNi_xMn_yM_zO₂，其中：x+y+z＝1，0.5≤x＜1.0，0＜y＜0.5，0≤z≤0.1，‑0.1≤n≤0.5；M为除Co外的Al、Mg、Sr、Ti、Fe、Sc、V、Y、Zr、Nb、Mo中一种或多种。制备方法包括如下步骤：将包括镍源、锰源、锂源、M源、成核剂氧化石墨烯水凝胶、沉淀剂和络合剂在内的原料混合制成混合溶液，在原料混合溶液水热过程中施加微波场；保护气氛下水热反应得到正极材料过程样；过程样在含氧气氛中烧结得到所述无钴正极材料。本发明通过调控微观形貌，优化制备工艺，使材料性能提升，同时节省了成本，又简化了制程；采用本发明的无钴正极材料制得的锂电池，具有优异的化学稳定性和电性能。

技术领域

本发明涉及一种正极材料，具体涉及一种无钴正极材料及其制备方法与锂离子电池，属于锂离子电池无钴正极材料技术领域。

技术背景

锂离子电池作为新型“绿色环保”电池，以其优越的性能在越来越多的领域得到越来越广泛的应用。锂离子电池在快速发展的同时，也面临着更多的挑战。随着各领域技术的不断发展，原有的锂离子电池体系已无法满足其需要，因此针对不同领域的要求，研究性能不同的锂离子电池是未来研究者的关键工作。

锂离子电池的加速发展和广泛应用，加之原材料价格的不断上涨，要求电化学性能更加优越且性价比更高的正极材料。从最初的单组分正极材料到二元复合正极材料，再到多元复合正极材料，研究者进行了大量的研究，付出了众多心血，推进了锂离子电池正极材料的发展。去“钴”化层状正极材料因其成本优势和性能优势使其极具性价比已成为研究的热点之一。

但层状正极材料去钴化，会导致以下问题：(1)电子电导率差、锂离子迁移速度缓慢等缺陷严重影响了其容量的发挥和循环的稳定性；(2)内阻较大导致低温电性能差；(3)锰离子价态的多变性以及二价镍离子的难氧化性等问题导致锂镍混排严重；(4)常、高压容量发挥差异大导致应用困难等。

现有技术合成无钴正极材料常用的方法是固相法，通过掺杂、包覆等手段，但增加了成本和繁琐的操作工艺，且研究者通常只注意到原材料，而忽略对微观的研究。只有掌握各部分组分对目标产物的影响，才能找到最佳的实验条件，合成理想的目标产物。

本发明拟提供一种通过调控微观形貌，优化制备工艺，能提高材料性能又能节省成本，简化制程的无钴正极材料的制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过调控微观形貌，优化制备工艺，能提高材料性能又能节省成本，简化制程的无钴正极材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种无钴正极材料的制备方法，所述无钴正极材料的分子式为Li_1+nNi_xMn_yM_zO₂，其中，x+y+z＝1，0.5≤x＜1.0，0＜y＜0.5，0≤z≤0.1，-0.1≤n≤0.5。其中：当z＝0时，无钴正极材料中不含有M元素；当0＜z≤0.1，M为除Co外的Al、Mg、Sr、Ti、Fe、Sc、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Ta、W、B、Si、P、Sn、Tl、Ga、Ge、La、Ce中的一种或多种。

所述制备方法具体包括如下步骤：

(1)将包括镍源、锰源、锂源、M源、成核剂、沉淀剂和络合剂在内的原料混合制成混合溶液，在原料混合溶液水热过程中施加微波场，引导分散、加快反应进程；在保护气氛下，100-400℃水热反应0.05-2h得到正极材料过程样；其中：

所述成核剂为氧化石墨烯水凝胶，所述氧化石墨烯水凝胶浓度为0.01-2mol/L；所述微波场的频率为1-10GHz；功率200-500W；