正极活性材料及其制备方法、正极极片、电池和用电设备与流程

本技术属于二次电池，具体涉及一种正极活性材料及其制备方法、正极极片、电池和用电设备。

背景技术：

1、二次电池不仅被应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，而且还被广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电动交通工具，以及军事装备和航空航天等多个领域。

2、尖晶石结构的氧化物是二次电池常用的正极活性材料。然而，现有的含有尖晶石结构的氧化物的二次电池的容量和循环存储寿命难以兼顾。

3、公开内容

4、鉴于背景技术中存在的技术问题，本技术提供一种正极活性材料，旨在解决含有其的电池容量低、循环寿命短的问题。

5、为了实现上述目的，本技术的第一方面提供了一种正极活性材料，所述正极活性材料包括：

6、li1+xaabbmmmn2-a-b-mo4-y，

7、其中，a包括ca、sc、ti、v、cr、sr、y或zr中的至少一种，b包括ni、al、co或fe中的至少一种，m包括w、nb、sb、p、la、mo、ta或ce中的至少一种，0.1＜x≤1.1，0.001≤a≤0.5，0≤b≤1，0≤m≤0.2，-0.5≤y≤1。

8、本技术至少包括如下所述的有益效果：本技术的正极活性材料中，控制x的量即正极活性材料中过量的li的量，有利于正极活性材料中形成足量的四方晶系尖晶石，提升正极活性材料的容量；元素a是易形成含li尖晶石结构的氧化物的元素，且元素a的原子半径大，使得氧八面体间隙减小，抑制li进入mn位，此外a会优先进入mn位，将mn位填满，稳定八面体间隙，进而抑制li进入mn位，所以掺杂元素a且在上述a的范围内，可促进形成li过量的尖晶石，有利于部分正极活性材料的相态为四方晶系尖晶石，使li更多的留在li位，增加活性li发挥其容量，提升正极活性材料的容量；此外，上述x和a的范围内，使得正极活性材料中还包括立方晶系尖晶石，立方晶系尖晶石稳定性强，使得正极活性材料具有优异的稳定性，正极活性材料中含有足量的四方晶系尖晶石和部分的立方晶系尖晶石，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。b元素与mn半径相当，可以分散到mn位，且其低价态可促进mn的价态上升，促进mn变为+4价，从而抑制正极活性材料的姜-泰勒效应，提升正极活性材料的容量；元素m可与氧形成强健，稳定正极活性材料尤其是晶粒表面的氧原子，减少表面副反应，减少正极活性材料与电解液的副反应，减少正极活性材料失氧，减少mn溶出，提升正极活性材料的容量，同时正极活性材料的循环性能优异。

9、在本技术一些实施方式中，a包括ca、sc、ti、v、cr或y中的至少一种。由此，可以提升正极活性材料的容量和稳定性，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

10、在本技术一些实施方式中，a包括sc、v或y中的至少一种。由此，可以提升正极活性材料的容量和稳定性，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

11、在本技术一些实施方式中，所述正极活性材料满足以下条件中的至少之一：0.2≤x≤0.6，可选为0.2≤x≤0.4；0.01≤a≤0.4，可选为0.05≤a≤0.3；0.01≤b≤1，可选为0.1≤b≤0.7；0.001≤m≤0.2，可选为0.01≤m≤0.1。由此，含有其的电池的容量和循环寿命优异。

12、在本技术一些实施方式中，1≤x/a≤10，可选为2≤x/a≤7。由此，上述x/a范围内，既能促进正极活性材料发挥大的容量，又可以降低过多的a元素引起的容量降低，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

13、在本技术一些实施方式中，0.001≤a+b+m≤1，可选地，0.3≤a+b+m≤0.7。由此，上述a+b+m的范围内，使得上述正极活性材料保持尖晶石相，且含有其的电池的容量和循环寿命优异。

14、在本技术一些实施方式中，所述正极活性材料还包括设于li1+xaabbmmmn2-a-b-mo4-y至少部分表面的碱性包覆层。碱性包覆层可以提高正极活性材料材料的ph值，中和电解液氧化产生的酸，从而减少对正极活性材料的腐蚀损坏，提升正极活性材料的稳定性，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

15、在本技术一些实施方式中，所述碱性包覆层包括dg+dzh+zo2-tq-q，其中，d包括li、na、k、be、mg或ca中的至少一种，z包括b、si、p或as中的至少一种，q包括f、cl、br或i中的至少一种，g＝1或2，h＝3、4或5，1.5≤(t+q)/z≤5，0≤q/t≤2。由此，上述物质为强碱弱酸盐，呈碱性，但碱性不会过强，且与正极活性材料本身的兼容性好，导离子性优异，可使正极活性材料发挥大的容量，含有其的电池的容量和循环寿命优异。

16、在本技术一些实施方式中，所述正极活性材料中，所述碱性包覆层的质量占比为0.3％-5％，可选为1％-3％。由此，碱性包覆层的质量占比在上述范围内，含有其的电池的容量和循环寿命优异。

17、在本技术一些实施方式中，所述正极活性材料在2.9v的充电容量占总充电容量的10％-30％，可选为15％-25％。由此，2.9v的充电容量占总充电容量的比例在上述范围内，使正极活性材料中四方晶系尖晶石的含量在合适的范围内，li位过量li刚好可弥补正极活性材料用于电池时的活性li损失，同时使正极活性材料的结构相对稳定，含有其的电池的容量和循环寿命优异。

18、在本技术的一些实施方式中，所述正极活性材料的饱和水溶液在25℃的ph值为9-11.5，可选为10-11。上述ph值范围内，可以中和电解液氧化产生的酸，从而减少对正极活性材料的腐蚀损坏，提升正极活性材料的稳定性，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

19、在本技术的一些实施方式中，所述正极活性材料满足以下条件中的至少之一：

20、所述正极活性材料的体积平均粒径dv50为1μm-30μm，可选为2μm-10μm；

21、所述正极活性材料的bet比表面积为0.1m2/g-5m2/g，可选为0.2m2/g-2m2/g；

22、所述正极活性材料的振实密度为1.5g/cm3-3.0g/cm3，可选为2g/cm3-2.5g/cm3。

23、由此，当正极活性材料的体积平均粒径dv50、bet比表面积和振实密度中的至少之一在上述范围时，正极活性材料内离子的传导距离小、表面副反应少，促进了正极活性材料发挥其克容量，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

24、本技术第二方面提供了一种制备正极活性材料的方法，包括：

25、将liaabbmmmn2-a-b-mo4-y与第一锂源混合，进行第一烧结，得到正极活性材料，所述正极活性材料包括：

26、li1+xaabbmmmn2-a-b-mo4-y，

27、其中，a包括ca、sc、ti、v、cr、sr、y或zr中的至少一种，b包括ni、al、co或fe中的至少一种，m包括w、nb、sb、p、la、mo、ta或ce中的至少一种，0.1＜x≤1.1，0.001≤a≤0.5，0≤b≤1，0≤m≤0.2，-0.5≤y≤1。

28、由此，本技术制备的正极活性材料，在尖晶石结构liaabbmmmn2-a-b-mo4-y的基础上和第一锂源混合并进行第一烧结，在liaabbmmmn2-a-b-mo4-y中补充li，使得过量的li进入li位，使得到的正极活性材料中含有足量的四方晶系尖晶石和部分立方晶系尖晶石，具有优异的容量和稳定性，提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

29、在本技术一些实施方式中，第一烧结的温度为300℃-600℃。上述温度下，促进正极活性材料同时包括四方晶系尖晶石和立方晶系尖晶石，从而提升含有其的电池的容量，同时电池具有优异的循环性能。

30、在本技术一些实施方式中，所述liaabbmmmn2-a-b-mo4-y采用下列步骤得到：将第二锂源、a源、b源、m源和mn源混合，进行第二烧结，得到liaabbmmmn2-a-b-mo4-y。

31、在本技术一些实施方式中，还包括：将所述正极活性材料与碱性物料混合，进行第三烧结，在所述liaabbmmmn2-a-b-mo4-y至少部分表面形成碱性包覆层。

32、本技术第三方面提供了一种正极极片，其包括本技术第一方面所述的正极活性材料或第二方面所述的方法制备的正极活性材料。

33、本技术第四方面提供了一种电池，其包括本技术第三方面的所述的正极极片。由此，该电池具有优异的容量和循环寿命。

34、本技术第五方面提供了一种用电设备，其包括第四方面所述的电池。

35、本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。

技术实现思路