[发明专利]一种富镍三元正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种富镍三元正极材料及其制备方法和应用。本发明采用等离子体辅助处理，可以在富镍三元材料表层精准的构建不同厚度的氧空位缺陷层，经过元素掺杂处理，将S、N或F等不同类型非金属元素填充掺杂至氧空位位点，不仅能提高氧原子层稳定性，也能提高材料界面稳定性、抑制界面副反应。通过本发明方法改性后得到的富镍三元正极材料具有优异的电化学性能和较好的热稳定性能。在高温下，最优样品F‑NCM811‑2@C在1.0C倍率下经过150次循环后放电比容量为158.4mAh g^‑1，容量保持率为75.1％，远高于NCM811未修饰材料46.5％的容量保持率。

技术领域

本发明涉及高能电池材料技术领域，具体涉及一种富镍三元正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

大力推进新能源汽车产业发展，是降低化石燃料消耗、减少环境污染的重要举措。受益于电池技术进步和政策激励，新能源汽车在2021年的生产和销售分别达到354.5万辆和352.1万辆，极大的提升了人们对新能源汽车产业发展的信心。锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，对新能源汽车的续航里程和安全性能具有重要影响。富镍三元正极材料(又称富镍材料，LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，x＞0.6)由于放电容量高、电压平台高和原理丰富等优势，是当前锂离子动力电池发展极具潜力的正极材料。以 LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)为例，NCM811目前单体能量密度约280Wh kg^-1，经过系统优化后其能量密度可达到300Wh kg^-1，从而使新能源汽车的续航里程超过400Km。因此，富镍材料已成为各主流车企的理想正极材料。

然而，富镍材料由于晶格释氧引起的电池产气、结构和界面相变以及热稳定性不佳等问题，制约着材料的大规模应用。根据报道，富镍材料晶格释氧主要归因于材料在脱锂过程中，由于充电补偿效应，过渡金属离子TM³⁺逐渐氧化物为TM⁴⁺，且TM^3+/4+的t_2g轨道与O阴离子2p轨道重叠，在过渡金属氧化过程中伴随着晶格氧阴离子(O^2-→O^-→O₂^-→¹O₂)到氧气的系列转化；同时，在较高的电压下，富镍材料表面产生大量四价Ni离子，一方面，Ni⁴⁺催化有机电解液分解，产生气体，另一方面，Ni离子从材料表面溶出，伴随着晶格阴离子O^2-的氧化并最终产生O₂。气体O₂的释放将极大的增大电池的安全隐患，同时，晶格氧阴离子的氧化常常伴随着材料裂纹的形成，使电极电化学性能迅速衰退。此外，电极产气也将影响电极-电解液界面接触，破坏锂离子的扩散通道，导致负极锂金属不均匀沉积和锂枝晶的产生，这些问题极大的制约着富镍三元正极材料的大规模应用。

发明内容

为了克服上述富镍三元正极材料现有的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种高稳定性富镍三元材料，尤其是富镍三元正极材料及其制备方法和应用。本发明通过使用等离子体辅助处理，首先在富镍材料表面构筑一定厚度的富含氧空位缺陷的表面层，接着，通过元素掺杂策略，将惰性非金属元素填充至氧空位位点，改善材料表层氧原子层的键价结构，提高氧原子层和过渡金属层的稳定性，抑制晶格氧释放和表层过渡金属溶出。因此，在富镍三元材料表面构建一层高稳定性、非金属元素掺杂的表面层，该稳定的掺杂表面层能明显的改善富镍三元材料的界面化学性质，且通过本发明方法改性后得到的富镍三元正极材料具有优异的电化学性能和良好的热稳定性能。

本发明的目的通过下述技术方案实现：