富锂锰基正极材料及其制备方法、锂离子电池与流程

本发明属于电池材料，具体涉及一种富锂锰基正极材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术：

1、富锂锰基正极材料（li-rich mn-based cathode materials）由于其高理论比容量和高能量密度，成为了锂离子电池正极材料研究的重点。然而，现有的富锂锰基材料在实际应用中存在诸多技术问题，导致其性能远低于预期。这些问题主要集中在材料的结构稳定性、电化学性能及循环寿命等方面。

2、富锂锰基材料在高电压下容易发生氧气释放现象。这种氧气的不可逆析出不仅会破坏材料的晶格结构，还会导致电池在循环过程中产生容量衰减。由于富锂锰基材料的工作电压较高，氧气的释放不可避免地加剧了材料的晶格畸变，进而影响了材料的整体结构稳定性。

3、富锂锰基材料的电子和离子导电性较弱，导致其在高倍率条件下的充放电速度受限，难以满足快速充电或大功率放电的需求。传统的掺杂和表面包覆技术虽然能够在一定程度上改善材料的导电性，但往往难以在提升倍率性能的同时保持结构的稳定性，掺杂和包覆的均匀性问题依然存在，导致材料性能提升有限。

4、因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种富锂锰基正极材料及其制备方法、锂离子电池，其能够提升正极材料的结构稳定性、电化学性能和循环寿命。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种富锂锰基正极材料的制备方法，其包括以下步骤：

4、s101：将锰源、钴源与锂源混合溶解，配制成金属盐溶液；

5、s102：向所述金属盐溶液中加入有机磷硫化物、络合剂和分散剂，调节体系ph至9~11，并在60~80℃下反应，得到前驱体溶液；

6、s103：向所述前驱体溶液中加入氢氧化锂溶液，进行沉淀反应，沉淀物在50~80℃条件下陈化4~8h；

7、s104：将陈化后的沉淀物在150~200℃下加热30~60min后，洗涤，干燥；

8、s105：将干燥后的沉淀物与锂源混合，进行分段烧结，烧结温度为200~850℃，烧结时间为10~20h，得到富锂锰基正极材料。

9、在一个或多个实施方式中，步骤s101中所述金属盐溶液中的锰、钴、锂的摩尔比为1 : (0.05~0.5) : (1.1~1.3)。

10、在一个或多个实施方式中，所述有机磷硫化物包括硫代磷酸三乙酯、二硫代磷酸二乙酯中的至少一种；和/或所述络合剂包括乙二胺四乙酸、三乙醇胺、氨水中的至少一种；和/或所述分散剂包括柠檬酸、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

11、在一个或多个实施方式中，步骤s102中的所述前驱体溶液中包含钴-锂异质化纳米颗粒，所述钴-锂异质化颗粒的平均粒径为50~150nm。

12、在一个或多个实施方式中，步骤s102中所述有机磷硫化物与所述金属盐溶液中的钴的摩尔比为(0.08~0.2) : 1；和/或步骤s103中所述前驱体溶液中的锰与所述氢氧化锂溶液中的锂的摩尔比为1 : (1~1.2)。

13、在一个或多个实施方式中，步骤s105中分段烧结的方式包括：在250℃下预烧2~4h；然后在600℃下保温4~6h；最后在850℃下烧结10h。

14、在一个或多个实施方式中，所述富锂锰基正极材料中包含li-ps4和co-ps4复合物，所述li-ps4和co-ps4复合物位于所述富锂锰基正极材料的晶粒表面和晶界区域。

15、在一个或多个实施方式中，所述富锂锰基正极材料的晶粒表面和晶界区域形成有钴-氧簇纳米结构。

16、第二方面，本发明提供了一种富锂锰基正极材料，所述富锂锰基正极材料由前述制备方法制备得到。

17、第三方面，本发明提供了一种锂离子电池，其包括前述的富锂锰基正极材料。

18、与现有技术相比，本发明提供的富锂锰基正极材料及其制备方法、锂离子电池，通过钴和锂在材料内部形成纳米级的动态界面，能够在不同电化学状态下调整钴和锂离子的迁移，避免现有技术中掺杂后的钝化现象；并在材料体系中引入磷硫基团，使其与材料中的锂和钴元素相互作用，形成li-ps4和co-ps4复合物，能够有效稳定材料的晶格结构，并通过提升电子和离子传输效率来改善材料的导电性。

技术特征：

1.一种富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2. 根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，步骤s101中所述金属盐溶液中的锰、钴、锂的摩尔比为1 : (0.05~0.5) : (1.1~1.3)。

3. 根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，所述有机磷硫化物包括硫代磷酸三乙酯、二硫代磷酸二乙酯中的至少一种；和/或

4. 根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，步骤s102中的所述前驱体溶液中包含钴-锂异质化纳米颗粒，所述钴-锂异质化颗粒的平均粒径为50~150nm。

5. 根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，步骤s102中所述有机磷硫化物与所述金属盐溶液中的钴的摩尔比为(0.08~0.2) : 1；和/或

6.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，步骤s105中分段烧结的方式包括：

7.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，所述富锂锰基正极材料中包含li-ps4和co-ps4复合物，所述li-ps4和co-ps4复合物位于所述富锂锰基正极材料的晶粒表面和晶界区域。

8.根据权利要求1所述的富锂锰基正极材料的制备方法，其特征在于，所述富锂锰基正极材料的晶粒表面和晶界区域形成有钴-氧簇纳米结构。

9.一种富锂锰基正极材料，其特征在于，所述富锂锰基正极材料由权利要求1~8中任一项制备方法制备得到。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的富锂锰基正极材料。

技术总结
本发明公开了一种富锂锰基正极材料及其制备方法、锂离子电池，该方法包括：将锰源、钴源与锂源混合溶解，得到金属盐溶液；加入有机磷硫化物、络合剂和分散剂，反应得到前驱体溶液；加入氢氧化锂溶液，沉淀反应后，进行陈化；陈化后的沉淀物进行热处理，洗涤，干燥；将干燥后的沉淀物与锂源混合，分段烧结，得到富锂锰基正极材料。本发明提供的富锂锰基正极材料及其制备方法、锂离子电池，通过钴和锂在材料内部形成纳米级的动态界面，能够在不同电化学状态下调整钴和锂离子的迁移，避免现有技术中掺杂后的钝化现象；并在材料体系中引入磷硫基团，能够有效稳定材料的晶格结构，并通过提升电子和离子传输效率来改善材料的导电性。

技术研发人员：袁伟佳,司马忠志,郭华彬,刘华,仲元
受保护的技术使用者：赣州市力道新能源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17