高镍三元正极材料、制备方法、正极片、二次电池和应用与流程

本申请涉及锂离子二次电池，特别是涉及一种高镍三元正极材料、制备方法、正极片、二次电池和应用。

背景技术：

1、可充电锂离子电池(libs)作为一种高性能的电化学储能设备，在消费类电子、汽车工业和电网储能等领域的应用日益广泛，已成为实现高效能源转换与存储的解决方案之一。由于正极材料在libs的重量和成本中占据主导地位，因此，开发高容量、长循环寿命、高功率以及高安全等综合性能优异的正极材料对新一代libs的发展具有重大意义。

2、在诸多种正极材料体系中，层状结构的高镍三元正极材料linixcoymn1-x-yo2(x≥0.8，x+y＜1)具有较高的可逆比容量(超过200mahg-1)和较高的工作电压(3.8v vs.li/li+)等优势，作为一种高能电极材料，其已成功用于单次充电行驶里程超过500公里的电动汽车中。传统的高镍三元正极材料中镍含量的提高虽然可使容量显著增加，但面临着循环性能和热稳定性逐渐恶化的问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种高镍三元正极材料、制备方法、正极片、二次电池和应用，以提升高镍三元正极材料的循环性能和热稳定性。

2、本申请的第一方面提供一种高镍三元正极材料，包括化学式为linixcoymnzxaybo2的材料，其中，0.8≤x＜0.96，y＞0，z＞0，0.001≤a≤0.05，0.001≤b≤0.05，x+y+z+a＝1，x、y为掺杂元素，x包括al和in中的一种或多种，y包括b和si中的一种或多种。

3、在一些实施方式中，掺杂元素x分布在所述化学式为linixcoymnzxaybo2的材料的体相晶格中，掺杂元素y富集在所述化学式为linixcoymnzxaybo2的材料的表面。

4、在一些实施方式中，所述高镍三元正极材料的比表面积为0.4m2/g～0.7m2/g。

5、在一些实施方式中，所述高镍三元正极材料中li2co3的质量百分含量为0.05wt％～0.15wt％。

6、在一些实施方式中，所述高镍三元正极材料中lioh的质量百分含量为0.30wt％～0.40wt％。

7、本申请的第二方面提供本申请的第一方面所述的高镍三元正极材料的制备方法，包括如下步骤：

8、将添加剂、锂源与含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体混合，得到混合物料，所述添加剂中含有掺杂元素x和掺杂元素y；

9、对所述混合物料进行烧结处理。

10、在一些实施方式中，所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体包括化学式为nimconmn1-m-n(oh)2的材料，其中，0.8≤m＜0.96，n＞0，m+n＜1；

11、可选地，所述添加剂包括掺杂元素x及掺杂元素的y氧化物、碳酸盐、氢氧化物和醋酸盐中的一种或多种；

12、可选地，所述锂源包括氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂和硝酸锂中的一种或多种。

13、在一些实施方式中，所述锂源中的锂元素与所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体的摩尔比为(1.01～1.06)：1。

14、在一些实施方式中，所述混合物料中掺杂元素x的物质的量占所述添加剂、所述锂源与所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体的总物质的量的百分比为0.l％～0.6％；

15、所述混合物料中掺杂元素y的物质的量占所述添加剂、所述锂源与所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体的总物质的量的百分比为0.4％～1％。

16、在一些实施方式中，所述烧结处理包括如下步骤：将所述混合物料置于含氧气的烧结气氛中，在450℃～600℃的条件下烧结2h～10h，然后在650℃～900℃的条件下烧结10h～20h；

17、可选地，所述含氧气的烧结气氛中氧气的体积百分比≥97％。

18、本申请的第三方面提供一种正极片，包括本申请的第一方面所述的高镍三元正极材料或本申请的第二方面所述的制备方法制得的高镍三元正极材料。

19、本申请的第四方面提供一种二次电池，包括本申请第三方面所述的正极片。

20、本申请的第五方面提供一种用电装置，包括本申请第四方面所述的二次电池。

21、与传统技术相比，上述高镍三元正极材料、制备方法、正极片、二次电池和应用至少具有如下优点：

22、(1)上述高镍三元正极材料中掺杂的x元素和y元素能够在提升该正极材料的离子间作用力及键能的同时抑制其循环过程中的表面重构，并且能够兼顾掺杂和表面包覆的双功能性，从而能够协同提升高镍三元正极材料的晶体结构稳定性和表面化学稳定性，使其循环性能和热稳定性得到提升。

23、(2)上述高镍三元正极材料中采用同时掺杂x元素和y元素的竞争性掺杂策略，可以在不降低其比容量的前提下，实现x元素替代以及对晶格空隙的填充，能够避免具有较小离子半径的y元素掺杂到间隙位置导致的晶格畸变和对体相扩散的阻碍。

技术特征：

1.一种高镍三元正极材料，其特征在于，包括化学式为linixcoymnzxaybo2的材料，其中，0.8≤x＜0.96，y＞0，z＞0，0.001≤a≤0.05，0.001≤b≤0.05，x+y+z+a＝1，x、y为掺杂元素，x包括al和in中的一种或多种，y包括b和si中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的高镍三元正极材料，其特征在于，掺杂元素x分布在所述化学式为linixcoymnzxaybo2的材料的体相晶格中，掺杂元素y富集在所述化学式为linixcoymnzxaybo2的材料的表面。

3.如权利要求1～2任一项所述的高镍三元正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体包括化学式为nimconmn1-m-n(oh)2的材料，其中，0.8≤m＜0.96，n＞0，m+n＜1；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述锂源中的锂元素与所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体的摩尔比为(1.01～1.06)：1。

6.根据权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合物料中掺杂元素x的物质的量占所述添加剂、所述锂源与所述含有镍元素、钴元素和锰元素的前驱体的总物质的量的百分比为0.l％～0.6％；

7.根据权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理包括如下步骤：将所述混合物料置于含氧气的烧结气氛中，在450℃～600℃的条件下烧结2h～10h，然后在650℃～900℃的条件下烧结10h～20h；

8.一种正极片，其特征在于，包括权利要求1～2任一项所述的高镍三元正极材料或权利要求3～7任一项所述的制备方法制得的高镍三元正极材料。

9.一种二次电池，其特征在于，包括权利要求8所述的正极片。

10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求9所述的二次电池。

技术总结
本申请涉及一种高镍三元正极材料、制备方法、正极片、二次电池和应用，属于锂离子二次电池技术领域。该高镍三元正极材料包括化学式为LiNi<subgt;x</subgt;Co<subgt;y</subgt;Mn<subgt;z</subgt;X<subgt;a</subgt;Y<subgt;b</subgt;O<subgt;2</subgt;的材料，其中，0.8≤x＜0.96，y＞0，z＞0，0.001≤a≤0.05，0.001≤b≤0.05，x+y+z+a＝1，X、Y为掺杂元素，X包括Al和In中的一种或多种，Y包括B和Si中的一种或多种。上述高镍三元正极材料通过掺杂X元素和Y元素，能够使其循环性能和热稳定性得到提升。

技术研发人员：陈鹏辉,于利梅,吕菲,徐宁
受保护的技术使用者：天津巴莫科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11