一种纳米正极材料、其制备方法及应用与流程

本发明属于锂离子电池，尤其涉及一种纳米正极材料、其制备方法及应用。

背景技术：

1、层状富锂正极材料(lrm)具有成本低、比容量高(＞300mah/g)、高能量密度等优点得到了国内外研究学者的广泛关注，并被视为极具发展前景的正极材料。并且随着锂离子电池技术的进步和用户的需求，高能量密度的富锂锰基材料也开始收到产业界的重视。

2、现阶段针对富锂锰基材料的研究及改性主要集中在前驱体改性、掺杂、包覆及表界面调控上，这些手段可以一定程度的提升材料的容量、循环等综合性能，但是无法对材料的倍率性能的改善起到决定性的作用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种纳米正极材料、其制备方法及应用，本发明中的纳米正极材料具有较高的容量和倍率性能。

2、本发明提供一种纳米正极材料，包括纳米正极材料基体、包覆在正极材料表面的隔离层和包覆在隔离层表面的复合包覆层；

3、所述纳米正极材料基体具有式i所示化学式：

4、mli2mno3·(1-m)linipmnqmwo2式i；

5、其中，0≤m≤1，0.5≤p≤1，0≤q≤0.5，0≤w≤0.2，m为co，al、mg、zr、ti、y、la、b、nb、v、mo、sn、se、w、ce、fe、cu、ta、sc、sr、ga、cr中的一种或几种；

6、所述隔离层为纳米正极材料基体表面及亚表面的钝化层；

7、所述复合包覆层包括电子导体和离子导体，

8、所述电子导体为无定形碳，所述离子导体为固态电解质和/或快离子导体。

9、优选的，所述隔离层为尖晶石相和/或岩盐相钝化层，所述隔离层的厚度为1nm～30nm。

10、优选的，所述复合包覆层为一层，所述复合包覆层中包括电子导体和离子导体；所述复合包覆层的厚度为5nm～50nm；

11、或

12、所述复合包覆层为两层，所述复合包覆层依次包括电子导体层和离子导体层；所述电子导体层的厚度为2nm～20nm，所述离子导体层的厚度为1nm～48nm。

13、优选的，所述固态电解质为li1+aalage2-a(po4)3、li3bla2/3-btio3、lizr2-ctic(po4)3、li1+xalxti2-x(po4)3、li4-yge1-ypys4、li7la3zr2o12、li7p3s11、li3ps4、lipon、li3ycl6和li3ybr6中的一种或几种；其中，0≤a≤2，0≤b≤2/3，0≤c≤2，0≤x≤2，0≤y≤1；

14、所述快离子导体为lintoz，其中，t为al、mg、zr、ti、y、la、b、nb、v、mo、sn、se、w、ce、fe、cu、ta、sc、sr、ga和cr中的一种或几种，0＜n＜5，0＜z＜12。

15、优选的，所述电子导体的质量为正极材料基体质量的0.1％～5％；所述离子导体的质量为正极材料基体质量的0.01％～1％。

16、本发明提供一种上文所述的纳米正极材料的制备方法，包括以下步骤：

17、a)将锂源、镍源、锰源和m源在溶剂中溶解，得到金属盐溶液，然后进行喷雾热解，得到纳米级的正极一次品；

18、b)将所述正极一次品、碳源和可选的添加剂研磨得到浆料，将所述浆料进行喷雾热解后烧结，得到纳米正极中间品；

19、c)将所述纳米正极中间品和可选的添加剂进行干法球磨，然后烧结，得到纳米正极材料；

20、所述添加剂为固态电解质和/或快离子导体，所述添加剂在步骤b)中添加或者在步骤c)中添加。

21、优选的，所述步骤a)中喷雾热解的温度为300℃～1100℃，载气流量为0.5l/min～20l/min，载气为甲烷。

22、优选的，所述步骤b)中喷雾热解的温度为400℃～900℃，载气量为10l/min～50l/min；

23、所述步骤b)中烧结在气体气氛下进行，所述气体气氛为氮气、氩气、氦气、氖气、二氧化碳和氢气中的一种或几种；

24、优选的，所述步骤c)中烧结在保护性气氛下进行，所述保护性气氛为氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或几种；

25、所述步骤c)中烧结的温度为300℃～900℃，所述步骤b)中烧结的时间为180min～900min。

26、本发明提供一种锂离子电池，包括上文所述的纳米正极材料或上文所述的制备方法制备得到的纳米正极材料。

27、本发明提供了一种纳米正极材料，包括纳米正极材料基体、包覆在正极材料表面的隔离层和包覆在隔离层表面的复合包覆层；所述纳米正极材料基体具有式i所示化学式：mli2mno3·(1-m)linipmnqmwo2式i；其中，0≤m≤1，0.5≤p≤1，0≤q≤0.5，0≤w≤0.2，m为co，al、mg、zr、ti、y、la、b、nb、v、mo、sn、se、w、ce、fe、cu、ta、sc、sr、ga、cr中的一种或几种；所述隔离层为纳米正极材料基体表面及亚表面的钝化层；所述复合包覆层包括电子导体和离子导体，所述电子导体为无定形碳，所述离子导体为固态电解质和/或快离子导体。本发明的制备得到纳米正极材料并在纳米颗粒上形成多层复合修饰包覆层，在保证材料的循环性能前提下，本质上缩短了锂离子的传输路径，提升了材料的离子及电子电导率，有效的提升了材料的容量、倍率性能。并且使用喷雾热解与传统烧结方法相结合，缩短了材料的整体制备时间，提升了研发及生产效率。

技术特征：

1.一种纳米正极材料，包括纳米正极材料基体、包覆在正极材料表面的隔离层和包覆在隔离层表面的复合包覆层；

2.根据权利要求1所述的纳米正极材料，其特征在于，所述隔离层为尖晶石相和/或岩盐相钝化层，所述隔离层的厚度为1nm～30nm。

3.根据权利要求1所述的纳米正极材料，其特征在于，所述复合包覆层为一层，所述复合包覆层中包括电子导体和离子导体；所述复合包覆层的厚度为5nm～50nm；

4.根据权利要求3所述的纳米正极材料，其特征在于，所述固态电解质为li1+aalage2-a(po4)3、li3bla2/3-btio3、lizr2-ctic(po4)3、li1+xalxti2-x(po4)3、li4-yge1-ypys4、li7la3zr2o12、li7p3s11、li3ps4、lipon、li3ycl6和li3ybr6中的一种或几种；其中，0≤a≤2，0≤b≤2/3，0≤c≤2，0≤x≤2，0≤y≤1；

5.根据权利要求4所述的纳米正极材料，其特征在于，所述电子导体的质量为正极材料基体质量的0.1％～5％；所述离子导体的质量为正极材料基体质量的0.01％～1％。

6.一种如权利要求1所述的纳米正极材料的制备方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中喷雾热解的温度为300℃～1100℃，载气流量为0.5l/min～20l/min，载气为甲烷。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中喷雾热解的温度为400℃～900℃，载气量为10l/min～50l/min；

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中烧结在保护性气氛下进行，所述保护性气氛为氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或几种；

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1～5任意一项所述的纳米正极材料或权利要求6～9任意一项所述的制备方法制备得到的纳米正极材料。

技术总结
本发明提供一种纳米正极材料、其制备方法及应用，包括纳米正极材料基体、包覆在正极材料表面的隔离层和包覆在隔离层表面的复合包覆层；纳米正极材料基体具有式I所示化学式：mLi2MnO3·(1‑m)LiNipMnqMwO2式I；M为Co，Al、Mg、Zr、Ti、Y、La、B、Nb、V、Mo、Sn、Se、W、Ce、Fe、Cu、Ta、Sc、Sr、Ga、Cr中的一种或几种；隔离层为纳米正极材料基体表面及亚表面的钝化层；复合包覆层包括电子导体和离子导体，电子导体为无定形碳，离子导体为固态电解质和/或快离子导体。本发明在保证材料的循环性能前提下，提升了材料的离子及电子电导率，有效提升了材料的容量、倍率性能。

技术研发人员：陈一帆,张振宇,王欢欢,张楠,杨云超
受保护的技术使用者：苏州埃米特材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17