[发明专利]一种钾和磷酸根双掺杂的富锂层状正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钾和磷酸根双掺杂的富锂层状正极材料，其化学式为Lisubgt;1‑x/subgt;Ksubgt;x/subgt;(Lisubgt;a/subgt;Nisubgt;b/subgt;Cosubgt;c/subgt;Mnsubgt;d/subgt;)Osubgt;2‑y/subgt;(POsubgt;4/subgt;)subgt;y/subgt;,a+b+c+d＝1,1x0,2y0。焦耳热的超快的升温速率以及反应动力学促使双掺杂的富锂层状材料可以在数秒内被合成，极大的减小了能源消耗以及提高了生产效率。Ksupgt;+/supgt;和(POsubgt;4/subgt;)supgt;3‑/supgt;的双掺杂可以有效抑制材料在循环过程中的氧的不可逆释放以及结构的不可逆的转变。

技术领域

本发明涉及富锂层状正极材料及其制备方法领域，特别是一种钾和磷酸根双掺杂的富锂层状正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池已经被广泛应用于便携式电子产品，电动汽车以及大型的储能设备。伴随着市场需求的急速扩大，发展高能量密度，长循环寿命以及低成本的锂离子电池成为目前的当务之急。在锂离子电池的所有组成部分中，正极在决定整个电池的成本以及能量密度方面扮演着至关重要的角色。目前，市场主流的几种正极材料，包括LiMn₂O₄，LiCoO₂，LiFePO₄,LiNi_xCo_yMn_zO₂(x+y+z＝1)，其比容量都小于200mAh/g，严重限制了锂离子电池能量密度的提高。相比于上述正极材料，富锂层状正极材料(xLiMO₂·(1-x)Li₂MnO₃(M＝Ni,Co,Mn))可以提供超过250mAh/g的比容量，其超高比容量得益于过渡金属以及氧的共同氧化还原机制。除此以外，由于低钴或者无钴的含量，相比于其他正极材料，其也展示出较低的成本优势。尽管富锂层状材料展示了上述优点，然而快速的容量以及电压衰减的问题阻碍了其进一步商业化的发展。目前研究者们认为主要有两个原因导致了上述问题的发生。其一是氧的不可逆释放导致了严重的界面副反应以及触发了低电压下的过渡金属的氧化还原反应。其二是循环过程中层状结构向尖晶石相的不可逆的转变。为了解决这一问题，研究者们提出了各种策略去抑制材料的容量以及电压衰减。其中，离子掺杂是最为广泛应用以及最有效的一种策略。掺杂的离子可以抑制氧的不可逆释放以及结构的转变，极大提高了富锂层状材料的循环稳定性。目前，多种离子已经被使用作为掺杂剂，包括阳离子(Al³⁺,Ti⁴⁺,Ru⁴⁺,La³⁺),阴离子(Cl^-,S^2-,F^-)。但纵观上述掺杂制备过程十分繁琐且其热处理过程长达数小时，造成极大的能源消耗以及制造成本。

因此，需要一种钾和磷酸根双掺杂的富锂层状正极材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有掺杂方法的繁琐且耗时长的缺点，提供了一种利用焦耳热快速合成钾和磷酸根双掺杂的富锂层状正极材料及其制备方法。一方面，焦耳热超高的升温速率以及超快的反应动力学确保了双掺杂的富锂层状材料可以在数秒内被成功合成。另一方面，钾和磷酸根双掺杂可以提高材料的结构稳定性，改善富锂层状材料的循环性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:

一种钾和磷酸根双掺杂的富锂层状正极材料，其化学式为Li_1-xK_x(Li_aNi_bCo_cMn_d)O_2-y(PO₄)_y,a+b+c+d＝1,1x0,2y0。