[发明专利]铌酸锂包覆的高镍三元正极材料及制备方法、电池与应用

说明书

本发明公开了一种铌酸锂包覆的高镍三元正极材料及制备方法、电池与应用。该铌酸锂包覆的高镍三元正极材料的制备方法如下：将有机酸、铌源和锂源加入含有高镍三元正极材料的分散液中，搅拌蒸发溶剂后，煅烧，得到铌酸锂包覆的高镍三元正极材料；其中，所述有机酸至少含有两个羧基；所述分散液中的溶剂为水和多元醇；所述铌酸锂包覆的高镍三元正极材料中，铌酸锂的质量占比为0.5％～2％。该制备方法通过控制金属盐的投料量可以定制化铌酸锂包覆层厚度，适用于不同性能需求的高镍三元正极材料产品；采用液相包覆结合高温煅烧的策略，工艺简单、能耗低，能够实现高性能锂离子电池正极材料的宏量化制备。

技术领域

本发明涉及新能源材料领域，特别涉及一种铌酸锂包覆的高镍三元正极材料及制备方法、电池与应用。

背景技术

随着电动汽车对续航里程和安全性要求的日益提高，开发高性能锂离子电池(LIBs)成为当下的研究重点。其中，正极材料是决定LIBs性能的关键组分，同时也具有较大的提升空间。高镍三元正极材料(包括镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂)由于多金属的协同效应，在能量密度和循环稳定性方面展现出较大的优势。但是在高工作电压下，随着Li⁺的持续脱出，加剧了高镍三元正极材料中的阳离子无序化排列，使得表面结构不稳定，从而引发正极材料/电解液界面处的副效应，造成不可逆的相转变，导致其容量和循环性能的恶化。目前，通过合理的结构设计，高镍三元正极材料的综合性能已得到了一定的改善，但在高工作电压下不理想的循环稳定性仍难以满足当下的需求。

大量研究证实，高镍三元正极材料的结构恶化是从表面开始并逐渐扩散至体相，这意味着表面改性对于提高LIBs的电化学性能至关重要。其中，快离子导体包覆层的构建不仅能够有效抑制电解液对活性材料的侵蚀，稳定表面结构，还可以显著提升正极材料的Li⁺扩散动力学，确保循环过程中优异的倍率性能，因而吸引了大量研究者的关注。例如，LiNbO₃同时具备良好的化学稳定性和高Li⁺电导率(～10^-6S cm^-1)，但是常见的固液混合法难以获得均匀包覆的LiNbO₃层(Y.Chen，S.Tang.Chemical coupling constructsamorphous silica modified LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ cathode materials and itselectrochemical performances，Journal of Power Sources，2019，432，8-16)。此外，铌离子在高温煅烧过程中容易扩散到基体材料中，而高价Nb⁵⁺的引入势必会提高高镍三元正极材料中Ni²⁺的比例，从而加剧Li/Ni混排现象，影响其结构稳定性和循环性能。

现有技术中，中国专利文献CN114005984A公开了一种铌酸锂包覆与铌掺杂耦合改性的高镍三元正极材料的制备方法，但该方法所制备的正极材料存在比容量和容量保持率差的问题。

因此，当前迫切需要开发一种简便、有效的LiNbO₃包覆改性策略以实现高镍三元正极材料倍率和循环性能的显著提升。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于克服现有技术中存在的LiNbO₃对高镍三元正极材料包覆改性的过程中包覆不均匀以及在锂离子电池应用中稳定性和循环性能差的缺陷，提供一种铌酸锂包覆的高镍三元正极材料及制备方法、电池与应用。本发明制备的包覆层能够有效抑制电解液对高镍三元正极材料的侵蚀，提升表面结构稳定性，同时还保证了锂离子扩散动力学，有利于充放电过程中锂离子的快速脱嵌；组装成锂离子电池后表现出优异的倍率性能和循环性能；其改性策略工艺简单、能耗低，能够实现高性能锂离子电池正极材料的宏量化制备。