一种正极活性材料及其制备方法、电池和用电装置与流程

本申请涉及新能源，具体涉及一种正极活性材料及其制备方法、电池和用电装置。

背景技术：

1、锂离子电池是目前使用最为广泛的可以进行循环充放电的高性能储能器件。锂离子电池的性能在很大程度上由电极材料的性能所决定。优异的正负电极材料通常需要具有长的循环寿命、高的可逆比容量、低的合成成本以及安全无污染、可靠的安全性能等优点。

2、目前，磷酸亚铁锂作为商业化最广泛的锂电正极材料，被广泛用于储能及商用车领域，但受材料本身特性影响，磷酸亚铁锂材料电压平台仅为3.3v左右，平台低，能量密度不高，限制了其使用环境；而其下一代材料，磷酸锰铁锂/磷酸锰锂相对的li+/li的电极电位随着锰含量提高而提升，理论容量密度高，合成磷酸锰锂的原料成本低，使其在动力电源领域具有极大的市场前景。然而，在放电过程中，过多的li+会嵌入到limn2o4中，甚至会形成li2mn2o4，在放电到3v时会出现该情况，此时伴随材料从立方晶相向四方晶相的转变，导致晶胞体积增大，在放电循环中电极材料坍塌，从而使放电容量急剧衰减，mn溶出严重。而且，磷酸锰铁锂/磷酸锰锂都具有电导率过低，直流阻抗(dcr)大，容量很难全部发挥的问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种正极活性材料及其制备方法、电池和用电装置，解决了目前常用的正极活性材料电压平台低及电导率低的问题。

2、根据本申请第一方面提供的正极活性材料的制备方法，包括：

3、将锂源、锰源、钒源、铁源和磷源加入液相介质中，混合，得到正极活性材料前驱体溶液；

4、将正极活性材料前驱体溶液转入无氧气体氛围的水热反应釜中反应，冷却并过滤后洗涤，干燥后粉碎，得到粉末材料；

5、在无氧气体氛围下，通过化学气相沉积，利用碳源对所述粉末材料的表面进行包覆，粉碎后得到正极活性材料。

6、可选的，在本申请的其它实施例中，在将正极活性材料前驱体溶液转入无氧气体氛围的水热反应釜中反应步骤中，反应温度为100℃～200℃，反应时间为2h～12h。

7、可选的，在本申请的其它实施例中，化学气相沉积的温度为650℃～780℃。

8、可选的，在本申请的其它实施例中，化学气相沉积的压力为80pa～100pa。

9、可选的，在本申请的其它实施例中，化学气相沉积的沉积速度为10nm/min～15nm/min。

10、可选的，在本申请的其它实施例中，化学气相沉积的沉积时间为10min～20min。

11、可选的，在本申请的其它实施例中，碳源的包覆质量占正极活性材料的质量的比例为0.8％～5％。

12、可选的，在本申请的其它实施例中，锂源包括氢氧化锂、碳酸锂、氯化锂、硝酸锂、磷酸二氢锂或醋酸锂中的一种或多种。

13、可选的，在本申请的其它实施例中，锰源包括硫酸锰。

14、可选的，在本申请的其它实施例中，钒源包括硫酸矾。

15、可选的，在本申请的其它实施例中，铁源包括硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁中的一种或多种。

16、可选的，在本申请的其它实施例中，磷源包括磷酸、磷酸一氢铵、磷酸二氢铵、磷酸铵或磷酸二氢锂中的一种或多种。

17、可选的，在本申请的其它实施例中，碳源包括柠檬酸、葡萄糖、蔗糖或聚乙二醇中的一种或多种。

18、可选的，在本申请的其它实施例中，无氧气体氛围包括氮气、氩气或二氧化碳中的一种或多种。

19、可选的，在本申请的其它实施例中，液相介质包括去离子水、甲醇溶液、乙醇溶液、丙酮溶液或多元醇溶液中的一种或多种。

20、根据本申请第二方面提供的正极活性材料，正极活性材料采用上述的制备方法制备，正极活性材料包括核层和包覆于核层表面的包覆层；所述核层包括化学式为limnxvyfe(1-x-1.5y)po4的化合物，其中，0<x<1，0<y<2/3，x+1.5y<1；包覆层包括碳元素。

21、可选的，在本申请的其它实施例中，正极活性材料呈颗粒状，正极活性材料的d50为0.2μm～2μm。

22、可选的，在本申请的其它实施例中，包覆层的厚度为120nm～210nm。

23、根据本申请第三方面提供的电池，包括正极极片，正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体上的正极活性材料层，正极活性材料层包括上述的正极活性材料或上述的制备方法所制得的正极活性材料。

24、根据本申请第四方面提供的用电装置，包括上述电池。

25、根据本申请实施例的正极活性材料的制备方法，至少具有如下技术效果：

26、1)通过本申请制备方法制备得到的磷酸锰钒铁锂正极活性材料具有优异的导电性能和高倍率性能；

27、2)本申请采用水热法制备正极活性材料，所得到的正极活性材料颗粒较小，组成成分可控，微观结构稳定，元素分布均匀；

28、3)本申请采用化学气相沉积进行碳包覆，一方面碳包覆可以有效提高正极活性材料的电子传输效率，降低正极活性材料粉末电阻，进而提升正极活性材料所制得电池的大功率放电性能及快速充电能力；另一方面，碳包覆可以控制正极活性材料的晶粒生长，起到人为控制颗粒微观形貌的作用，防止正极活性材料粒径过大对其功率与低温造成负面影响，本申请采用的化学气相沉积法相较于普通烧结可以使核层材料表面的包覆层更为均匀、致密、完整，从而提升正极活性材料的倍率、低温及循环性能，另外可减少在正极活性材料粉碎过程中的碳剥离现象，减少成品正极活性材料中的游离碳含量，提升正极活性材料加工性能。

技术特征：

1.一种正极活性材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的正极活性材料的制备方法，其特征在于，在将所述正极活性材料前驱体溶液转入无氧气体氛围的水热反应釜中反应步骤中，所述反应的温度为100℃～200℃，所述反应的时间为2h～12h。

3.根据权利要求1所述的正极活性材料的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积的温度为650℃～780℃；和/或，

4.根据权利要求1所述的正极活性材料的制备方法，其特征在于，所述碳源的包覆质量占所述正极活性材料的质量的比例为0.8％～5％。

5.根据权利要求1所述的正极活性材料的制备方法，其特征在于，所述锂源包括氢氧化锂、碳酸锂、氯化锂、硝酸锂、磷酸二氢锂或醋酸锂中的一种或多种；和/或，

6.根据权利要求1所述的正极活性材料的制备方法，其特征在于，所述无氧气体氛围包括氮气、氩气或二氧化碳中的一种或多种；和/或，

7.一种如权利要求1～6中任一项所述的制备方法制备的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料包括核层和包覆于所述核层表面的包覆层；所述核层包括化学式为limnxvyfe(1-x-1.5y)po4的化合物，其中，0<x<1，0<y<2/3，x+1.5y<1；所述包覆层包括碳元素。

8.根据权利要求7所述的正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料呈颗粒状，所述正极活性材料的d50为0.2μm～2μm；和/或，

9.一种电池，包括正极极片，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体上的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括如权利要求7～8中任一项所述的正极活性材料或如权利要求1～6中任一项所述的制备方法所制得的正极活性材料。

10.一种用电装置，其特征在于，包含如权利要求9所述的电池。

技术总结
本申请公开一种正极活性材料及其制备方法、电池和用电装置。制备方法包括：将锂源、锰源、钒源、铁源和磷源加入液相介质中，混合，得到正极活性材料前驱体溶液；将正极活性材料前驱体溶液转入无氧气体氛围的水热反应釜中反应，冷却并过滤后洗涤，干燥后粉碎，得到粉末材料；在无氧气体氛围下，通过化学气相沉积，利用碳源对粉末材料的表面进行包覆，粉碎后得到正极活性材料。通过该方法制得的正极活性材料粒径小且分布均匀，性能优良，并且质量高结构稳定，具有高的电压平台与能量密度，解决了目前常用的正极活性材料如磷酸亚铁锂电压平台低及磷酸锰铁锂电导率低的问题。

技术研发人员：马可新,于月,李明露,孙洋洋,刘静,杨红新
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11