[发明专利]一种镍酸锂正极材料的取代掺杂改性方法

说明书

本发明公开了一种镍酸锂正极材料的化学掺杂改性方法。以少量铝、钛元素同时取代镍酸锂中的部分镍元素，制得具有α‑NaFeOsubgt;2/subgt;型层状结构相纯度高、Lisupgt;+/supgt;/Nisupgt;2+/supgt;阳离子混排程度小、电化学性能优异等特征的掺杂改性镍酸锂基正极材料LiNisubgt;0.95/subgt;Alsubgt;x/subgt;Tisubgt;y/subgt;Osubgt;2/subgt;(其中0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，x+y＝0.05)。该材料在0.1C电流倍率下的初始放电比容量可达223mAh/g，库伦效率大于81％；在25℃下，1C电流倍率放电比容量大于207mAh/g，充放电循环300周时比容量大于150mAh/g，容量保持率大于72.7％；5C电流倍率下的放电比容量达148.6mAh/g。因此，本发明提供的铝、钛共掺杂镍酸锂正极材料具有比容量高、充放电循环稳定性好、倍率性能好、原料成本低、环境友好等特征，具有良好的推广应用价值。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料领域，特别涉及一种元素化学取代共掺杂，改进镍酸锂正极材料电化学性能的方法。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、环境友好等优点，在日用电子产品中已经得到广泛应用。随着全球电动汽车和可再生能源产业的快速发展，锂离子电池的市场需求正在迅猛增长。目前，商业化的动力和储能用锂离子电池主要为镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池。其中，磷酸铁锂电池的能量密度较低(100～160Wh/kg)，主要适用于电动自行车、小微电动车、电动公交车等短程车型；三元锂电池具有160～250Wh/kg高能量密度，能够满足高速公路和城际长续航使用，是紧凑型、中型和高端乘用车的首选动力电源，并且能够更好地满足新能源汽车电动化、智能化、网联化和共享化发展需求。

锂离子电池的传统正极材料是α-NaFeO₂型层状结构钴酸锂(LiCoO₂)，在动力锂电领域使用较多的三元正极材料(LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂，简写为NCM)，是将其与同样具有层状结构的镍酸锂(LiNiO₂)、锰酸锂(LiMnO₂)经过化学掺杂而成的复杂氧化物，如LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂、LiNi_0.6C_0.2Mn_0.2O₂等。三元正极材料的物理化学性能优于Ni、Co、Mn三种基础层状结构氧化物，表现出显著的协同效应。在三元正极材料中，昂贵、有毒的钴元素使用量显著降低，并且其工作电位、比容量和易制备性均得到了明显提高。三元正极材料的比容量随着镍含量提高而增大，为了进一步提高三元锂电池的能量密度和降低生产成本，三元正极活性材料正在向高镍、低钴或无钴化方向发展，如LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、LiNi_0.94Co_0.03Mn_0.03O₂、LiNi_0.7Mn_0.3O₂、Li_1.2Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂等，即借助元素化学掺杂，三元正极材料正在朝着层状结构镍酸锂(LiNiO₂)或富锂层状结构锰酸锂方向发展。因此，元素化学掺杂是提高镍酸锂等层状结构氧化物正极材料电化学性能的关键途径。

发明内容