本技术属于锂离子电池技术领域,介绍了一种富含锂和钴的锂离子电池正极材料及其制造方法。该正极材料以氢氧化镍锰前驱体为基底,通过掺杂技术提升了材料性能,具有更高的能量密度和循环稳定性。
背景技术
随着对锂离子正极材料研究的不断深入,为了满足市场对镍钴锰酸锂(NCM)材料的高能量密度的追求,许多方法被相继提出,例如:可通过掺杂或包覆引入新的元素改善材料的动力学特性、改变原有的金属元素来提高电池容量,以及优化材料的形貌结构以改善的能量密度等。前人对不同过渡金属比例NCM材料综合性能和结构演变的研究结果显示,LiNi0.5
Co0.2
Mn0.3
O2
(NCM523)表现出较优的综合性能,50%的镍含量使其在循环过程中拥有不错的可逆容量,且由于镍含量相对较低,循环稳定性与热安全性能也较为优异,是NCM体系中最具有商业价值和潜力的磷酸铁锂的替代材料。
尽管如此,高昂的成本和原材料的供应链短缺迫使人们设法消除或替代NMC523中20%的钴元素,来实现类似的电池性能。根据理论计算,当NMC523中的Co被替换成Mn时,所产生的层状氧化物LiNi0.5
Mn0.5
O2
仍然具有280mAh/g的理论容量,证实了LiNi0.5
Mn0.5
O2
作为LiCoO2
替代品的可行性。然而,LiNi0.5
Mn0.5
O2
却无法达到理论容量,这是因为锰离子的存在促进了Li/Ni的阳离子混合,导致锂离子在层状结构中的离子扩散受阻。为了解决这一困境,中国专利CN111162322A通过构建多孔纳米片结构的镍锰氧化物来增强其储锂性能并提升了电池的循环和倍率性能。中国专利CN107591519A通过对常规锂镍钴锰正极材料进行晶界掺杂,使改性锂镍钴锰正极材料在强电流的反复充放电过程中仍具有十分稳定的结构。中国专利CN201510026729采用超声化学镀镍实现对镍锰酸锂材料的表面均匀包覆改性,形成的镍涂层作为一种优良导体,在包覆后可大幅提高材料的电导率,有利于材料倍率性能和循环性能的提升。尽管目前类似的调控方式可以有效提升镍锰氧化物锂离子电池的结构稳定性和循环性能,但是离实际应用需求仍然相差甚远,工艺繁琐且成本高昂。当前的正极材料都很难兼顾制造成本、容量、内阻等电化学性能和其自身的安全性。
现有技术中的三元正极材料,存在以下问题:在长周期循环时容易出现结构重构、颗粒破裂、过渡金属离子溶解、正极-电解质界面膜损坏,处于高脱锂状态的氧化物正极热稳定性极差,在高温下很容易分解产生氧气,导致正极表面的电解液剧烈氧化,释放出大量的热并产生大量气体,严重时诱发电池发生严重的火灾和爆炸事故等。因此,有必要开发一种结构稳定、性能优异且安全性高的锂离子电池正极材料。
实现思路