一种正极材料及其制备方法、正极片、锂离子电池和用电设备与流程

本发明涉及锂离子电池，具体而言，涉及一种正极材料及其制备方法、正极片、锂离子电池和用电设备。

背景技术：

1、锂离子电池由于能量密度高，在便携式电子产品、家用设备、电动汽车和储能领域中均有广泛应用，并具有巨大的社会经济价值。正极材料是锂离子电池的重要组成材料之一，其中三元正极材料在动力电池中具有十分广阔的应用前景。高镍三元正极材料linixcoymn1-x-yo2(x≥0.8)具有200mahg-1以上的容量和较高的电压平台，有望显著提升锂离子电池的能量密度，解决锂离子电池的实际应用中的难题，例如缓解电动车的续航里程问题等。

2、然而，高镍三元正极材料在充放电过程中存在着表面高价ni转变为岩盐相的问题，使其循环性能迅速下降。在三元正极材料中，mn可以提升热稳定性，co可以提升导电性，ni主要用于提升容量。通过核壳结构设计，改变ni、co和mn在颗粒中的浓度分布，即降低正极颗粒表面ni含量并提升mn、co含量，可以有效缓解表面降解的危害，提升高镍材料结构稳定性和动力学性能。然而，在高温焙烧过程中，co的扩散明显快于ni和mn，co迅速扩散趋于均匀化，使得表面富mn富co的初始设计，最终仅有效保留富mn表面，表面mn的浓度梯度明显高于co，导致无法获得表面同时富钴富锰的正极材料。

3、此外，现有技术中通过固相方法混合mn源和co源，由于mn扩散较慢，且固相混合具有不均性，往往使得co可以较好扩散和包覆成壳，而mn则偏析严重。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种正极材料，该正极材料内核中镍元素含量较高，可以提升容量，外壳中钴元素和锰元素含量较高，外壳中较高的锰元素能够提高正极材料的安全与稳定性，外壳中较高的钴元素可以提高正极材料的首效与倍率性能，富锰富钴外壳有效提升了正极材料的循环性能，减少产气与放热。解决了现有技术中无法制得表面同时富钴富锰的正极材料以及高镍三元正极材料在充放电过程中表面高价ni转变为岩盐相导致循环性能迅速下降的问题。

2、本发明的第二目的在于提供一种正极材料的制备方法，本发明基于mn、co元素在高温焙烧下扩散速率的差异，先通过表面富mn核壳前驱体的第一焙烧形成表面富锰材料，再通过第二焙烧包覆钴，可形成表面富锰富钴的三元核壳正极材料，锰元素和钴元素梯度可控，工艺简单。不仅解决了无法制得表面同时富钴富锰的正极材料的难题，还解决了mn扩散较慢导致偏析严重的问题。

3、本发明的第三目的在于提供一种正极片。

4、本发明的第四目的在于提供一种锂离子电池。

5、本发明的第五目的在于提供一种用电设备。

6、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

7、本发明首先提供了一种正极材料，所述正极材料的颗粒具有核壳结构，所述核壳结构包括富镍内核以及包覆在所述富镍内核表面上的镍钴锰酸锂外壳；

8、其中，所述富镍内核中的镍元素含量高于所述镍钴锰酸锂外壳中的镍元素含量；

9、所述镍钴锰酸锂外壳中的钴元素含量和锰元素含量分别高于所述富镍内核中的钴元素含量和锰元素含量。

10、本发明进一步提供了所述正极材料的制备方法，包括如下步骤：

11、将核壳前驱体和第一锂源进行第一混合和第一焙烧，得到表面富锰材料；所述核壳前驱体中，核层的镍元素含量高于壳层的镍元素含量，核层的锰元素含量低于壳层的锰元素含量；

12、将所述表面富锰材料和钴源进行第二混合和第二焙烧，得到所述正极材料。

13、本发明又提供了一种正极片，包括所述正极材料，或所述正极材料的制备方法所获得的正极材料。

14、本发明还提供了一种锂离子电池，包括所述正极片。

15、本发明另外提供了一种用电设备，包括所述锂离子电池。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、(1)本发明提供的正极材料，内核富镍、外壳富钴富锰，内核中较高含量的镍元素可以提升容量，外壳中钴元素和锰元素含量较高，外壳中较高的锰元素能够提高正极材料的安全与稳定性，外壳中较高的钴元素可以提高正极材料的首效与倍率性能，富锰富钴外壳有效提升了正极材料的循环性能，减少产气与放热。

18、(2)本发明提供的正极材料的制备方法，基于mn、co元素在高温焙烧下扩散速率的差异，先通过表面富mn核壳前驱体的第一焙烧形成表面富锰材料，再通过第二焙烧包覆钴，可形成表面富锰富钴的三元核壳正极材料，锰元素和钴元素梯度可控，工艺简单。

19、(3)本发明提供的正极材料的制备方法，该正极材料为二次颗粒，制备方法通过一次焙烧形成了正极中间体，二次焙烧的钴元素由于扩散速率较快，不仅可以向内扩散在二次颗粒外层形成核壳结构，还可以沿着晶界深入到二次颗粒内部，包覆一次颗粒，增强一次颗粒相互作用，有效抑制了颗粒开裂和电解液在正极界面处的分解。

技术特征：

1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料的颗粒具有核壳结构，所述核壳结构包括富镍内核以及包覆在所述富镍内核表面上的镍钴锰酸锂外壳；

2.根据权利要求1所述正极材料，其特征在于，所述正极材料满足以下条件至少其一：

3.根据权利要求1所述正极材料，其特征在于，所述正极材料满足以下条件至少其一：

4.根据权利要求1所述正极材料，其特征在于，所述富镍内核的平均化学式为linixcoymn1-x-yo2，其中，0.5＜x＜1，0＜y＜0.5，x+y＜1；

5.根据权利要求1所述正极材料，其特征在于，所述正极材料满足以下条件至少其一：

6.如权利要求1～5任一项所述正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足以下条件至少其一：

8.一种正极片，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述正极材料，或权利要求6～7任一项所述正极材料的制备方法所获得的正极材料。

9.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求8所述正极片。

10.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求9所述锂离子电池。

技术总结
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种正极材料及其制备方法、正极片、锂离子电池和用电设备。正极材料的颗粒具有核壳结构，核壳结构包括富镍内核以及包覆在富镍内核表面上的镍钴锰酸锂外壳；富镍内核中的镍元素含量高于镍钴锰酸锂外壳中的镍元素含量；镍钴锰酸锂外壳中的钴元素含量和锰元素含量分别高于富镍内核中的钴元素含量和锰元素含量。该正极材料内核中镍元素含量较高，可以提升容量；外壳中较高的锰元素能够提高正极材料的安全与稳定性，外壳中较高的钴元素可以提高正极材料的首效与倍率性能，富锰富钴外壳有效提升了正极材料的循环性能，减少产气与放热。

技术研发人员：李海生,张海天,唐彦群,吕菲,徐宁
受保护的技术使用者：天津巴莫科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/20