[发明专利]富锂锰基层状正极材料、其制备方法和应用

说明书

本申请涉及一种富锂锰基层状正极材料、其制备方法和应用，属于锂二次电池技术领域。本申请提供的富锂锰基层状正极材料包括内核和包覆在内核表面的包覆层，包覆层包括一维碳纳米管和含金属元素的纳米颗粒构建的三维导电框架，该富锂锰基层状正极材料具有优异的倍率性能和循环性能。

技术领域

本申请涉及锂二次电池技术领域，特别是涉及一种富锂锰基层状正极材料、其制备方法和应用。

背景技术

新能源汽车产业的快速发展，带动了动力锂离子电池的快速增长，动力电池能量密度限制引起的“里程焦虑”推动了高比能电极材料的开发。富锂锰基层状正极材料（LLOs）可实现超过250mAhg^-1的可逆容量，并提供约为900Whkg^-1的能量密度，成为下一代高比能锂二次电池正极材料的研究热点。然而，电极的倍率性能是实现诸如EVS等大功率应用的重要参数，LLOs与其他层状氧化物相比，电子电导率明显偏低（约10^-8S/cm），使得电极材料间电子传输受阻。由于LLOs材料一部分超高比容量来源于氧阴离子的氧化还原，该反应为动力学限制步骤，反应可逆性很差，导致较差的锂离子脱嵌动力学和容量的不可逆损失。此外，氧离子的氧化还原会恶化材料界面稳定性和结构稳定性，诱发结构转变并加剧荷电状态不均匀性。因此，离子/电子传输的动力学和界面稳定性的提升是实现LLOs商业化必须解决的瓶颈之一。

发明内容

基于此，有必要提供一种富锂锰基层状正极材料、其制备方法和应用，以解决传统的富锂锰基层状正极材料的电子电导率偏低，氧离子氧化还原反应动力学和可逆性较差，导致富锂锰基层状正极材料的倍率性能和循环性能较差的问题。

本申请的第一方面，提供一种富锂锰基层状正极材料，包括内核和包覆在所述内核表面的包覆层，所述包覆层包括一维碳纳米管和含金属元素的纳米颗粒构建的三维导电框架。

在一些实施方式中，所述含金属元素的纳米颗粒包埋于所述一维碳纳米管间。

在一些实施方式中，所述含金属元素的纳米颗粒包括单质Co及其氧化物，所述氧化物包括CoO、Co₂O₃和Co₃O₄中的一种或多种。

在一些具体的实施方式中，所述含金属元素的纳米颗粒为零维材料。

在一些实施方式中，所述内核包括化学式为Li_1+x(Mn_aM_1-a)_1-xO₂的材料，其中，M包括Co、Ni、Al、Ti、Zr、Mg和Mo中的一种或多种，且0x≤0.25，0.4≤a≤1。

在一些实施方式中，所述包覆层的厚度为所述富锂锰基层状正极材料的平均粒径D50的0.05%~10%。

在一些实施方式中，所述包覆层占所述富锂锰基层状正极材料的质量的0.1%~6%。

在一些实施方式中，所述一维碳纳米管占所述富锂锰基层状正极材料的质量的0.08%~5%。

在一些实施方式中，Raman光谱中存在所述一维碳纳米管的D峰和G峰，所述G峰与所述D峰的峰强比为0.4~1.6。

在一些实施方式中，所述一维碳纳米管掺杂有氮元素，所述氮元素在所述一维碳纳米管中的掺杂量为0.5wt.%~25wt.%。

在一些具体的实施方式中，所述氮元素的存在形式包括吡啶氮、吡咯氮和石墨氮中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述富锂锰基层状正极材料的粉末电导率在6×10^-7S/cm以上。

在一些实施方式中，所述富锂锰基层状正极材料的平均粒径D50为1μm~12μm。