一种镁铜共掺杂的NCM型高镍三元材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种镁铜共掺杂的ncm型高镍三元材料及其制备方法和应用，属于电池材料。

背景技术：

1、锂离子电池由于其能量密度高、成本低、循环寿命长等优点，在电动汽车和储能电站等领域发挥着极其重要的作用。然而，目前的libs技术的能量密度仍然主要受到正极材料的限制，且难以满足电动汽车长续航的要求，因此，迫切需要开发具有高比容量的正极材料。其中层状三元材料linibcocmndo2，尤其是高镍层状材料b≥0.6，降低了钴的用量而提高了镍含量，降低成本的同时提高了材料的能量密度，已成功地商业化应用于电动汽车。

2、然而，ncm材料在实际应用中依旧存在一些问题，随着ni的含量增加，导致锂镍混排较为严重，从而影响正极材料中的结构稳定性，导致材料性能劣化。此外，表面结构重组以及长循环过程中的相变；高电位下的析氧反应以及电解质间的界面副反应；结构各向异性应变诱发微裂纹的产生与扩展，使电解液润至颗粒内部，也会引起材料容量的衰减，同时还会引发一些安全问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种mg/cu共掺杂的ncm高镍三元材料及其制备方法和应用。本发明通过降低材料中的锂镍混排，优化材料的结构稳定性，促进材料的烧结性能，提高材料的高温循环性和热稳定性。

2、第一方面，本发明提供了一种镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料，所述镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料的化学组成为lini1-x-y-z-acoxmnymgzcuao2；其中0.05≤x≤0.15，0.05≤y≤0.15，0＜z≤0.03，0＜a≤0.03。

3、较佳的，0.01≤z≤0.02，0.01≤a≤0.02；优选地，x＝0.1，y＝0.07，z＝0.015，a＝0.015。

4、第二方面，本发明提供了一种镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料的制备方法，包括：

5、(1)将mgo、cuo和镍钴锰前驱体混合后，再加入锂源继续混合，得到混合物；

6、(2)将所得混合物进行烧结，得到所述镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料。

7、较佳的，所述镍钴锰前驱体为ni0.8co0.1mn0.1(oh)2，所述混合的方式为球磨混合，所述球磨混合的转速为300～500转/分钟，总时间为6～12小时。

8、较佳的，所述mgo、cuo和镍钴锰前驱体的摩尔比为(0～0.03)：(0～0.03)：1；优选地，所述混合物中mg：cu：ni：co：mn＝0.015：0.015：0.8：0.1：0.1。

9、较佳的，所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂和乙酸锂中的至少一种；所述锂源和镍钴锰前驱体的摩尔比为1.06：1。

10、较佳的，所述烧结的气氛为氧气；所述烧结的温度为780～850℃，时间为12～20小时；优选地，所述烧结的升温速率为2～5℃/min。

11、较佳的，所述烧结的制度包括：先升温至450℃保温4～6h，再升温至850℃保温12～20h。

12、第三方面，本发明提供了一种电极，包括：集流体以及涂敷在集流体表面的电极层；所述电极层的组分包上述镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料；

13、优选地，所述电极层包括镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料、导电剂和粘结剂；

14、优选地，所述集流体为al箔、涂炭al箔；

15、第四方面，本发明提供了一种镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料在锂离子电池中的应用。

16、本发明具有以下有益效果：

17、1、本发明的mg、cu共掺杂的ncm811型高镍三元材料，mg和cu在烧结过程中进入到材料中，mg掺杂是取代锂位，cu掺杂是取代过渡金属位。其中，mg掺杂的作用是取代锂位，起到减小锂镍混排，改善材料结构稳定性的作用。cu元素掺杂的作用是取代过渡金属位，起到与过渡金属的离子半径差异来增大材料层状结构的层间距，从而达到拓宽li+提扩散通道的目的。mg元素和cu元素的共同掺杂，既提高了电池材料的稳定性，而且又保证了电池材料的高容量；

18、2、本发明将mg、cu共掺杂的ncm811型高镍三元材料作为锂离子电池正极材料时，表现出良好的循环稳定性。在0.1c的电流密度下，在2.7～4.3v以及在2.7～4.5v的电压窗口内，首次放电比容量分别为187.05mah/g、225mah/g。在0.5c的电流密度下，在2.7～4.3v内经100次充放电循环后，其比容量稳定在171.9mah/g左右，库伦效率为99.8％。

技术特征：

1.一种镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料，其特征在于，所述镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料的化学组成为lini1-x-y-z-acoxmnymgzcuao2；其中0.05≤x≤0.15，0.05≤y≤0.15，0＜z≤0.03，0＜a≤0.03。

2.根据权利要求1所述的镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料，其特征在于，0.01≤z≤0.02，0.01≤a≤0.02；优选地，x＝0.1，y＝0.07，z＝0.015，a＝0.015。

3.一种如权利要求1或2所述的镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述镍钴锰前驱体为ni0.8co0.1mn0.1(oh)2，所述混合的方式为球磨混合，所述球磨混合的转速为300～500转/分钟，总时间为6～12小时。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述mgo、cuo和镍钴锰前驱体的摩尔比为(0～0.03)：(0～0.03)：1；优选地，所述混合物中mg：cu：ni：co：mn＝0.015：0.015：8：1：1。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂和乙酸锂中的至少一种；所述锂源和镍钴锰前驱体的摩尔比为1.06：1。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的气氛为氧气；所述烧结的温度为780～850℃，时间为12～20小时；优选地，所述烧结的升温速率为2～5℃/min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的制度包括：先升温至450℃保温4～6h，再升温至850℃保温12～20h。

9.一种电极，其特征在于，包括：集流体以及涂敷在集流体表面的电极层；所述电极层的组分包含权利要求1或2所述的镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料；

10.一种如权利要求1或2所述的镁铜共掺杂的ncm高镍三元材料在锂离子电池中的应用。

技术总结
本发明涉及一种镁铜共掺杂的NCM型高镍三元材料及其制备方法和应用。所述镁铜共掺杂的NCM高镍三元材料的化学组成为LiNi<subgt;1‑x‑y‑z‑</subgt;<subgt;a</subgt;Co<subgt;x</subgt;Mn<subgt;y</subgt;Mg<subgt;z</subgt;Cu<subgt;a</subgt;O<subgt;2</subgt;；其中0.05≤x≤0.15，0.05≤y≤0.15，0＜z≤0.03，0＜a≤0.03。

技术研发人员：刘建军,邱吴劼,廖梓言,付文升,赵晓琳
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17