正极材料、制备方法、电池和用电设备与流程

本申请涉及电池，特别是涉及一种正极材料、制备方法、电池和用电设备。

背景技术：

1、锂电池是一种依靠锂离子在正负极之间往复嵌入/脱嵌来实现充放电的储能装置，具有高能量密度、循环寿命长、无记忆效应等优点。正极材料作为锂离子的储存载体和氧化还原反应的中心，直接决定了电池的能量密度、循环寿命和安全性。目前主流正极材料包括钴酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料等，其中三元正极材料因其高能量密度成为锂电池的首选。

2、三元正极材料通过调控镍、钴、锰或铝的比例，实现了高电压平台和高容量。然而，当电池工作电压提升至高电压时，三元正极材料结构不稳定问题加剧，导致其循环变差、充气严重。

技术实现思路

1、本申请所要解决的技术问题是提供一种正极材料、制备方法、电池和用电设备，以解决相关技术中当电池工作电压提升至高电压时，三元正极材料结构不稳定问题加剧，导致其循环变差、充气严重的问题。

2、为了解决上述问题，本申请是通过如下技术方案实现的：

3、本申请提出了一种正极材料，包括：

4、内核，所述内核包括具有氟元素的三元正极材料；

5、壳层，所述壳层设置于所述内核表面，所述壳层包括氧离子导体。

6、进一步地，所述氧离子导体为多价金属基过渡金属氧化物，所述多价金属包括la、zr、ce、bi中的至少一种。

7、进一步地，所述氧离子导体的化学式为：

8、la2m2o9，其中，m表示w、v、nb、ta、mo中的至少一种。

9、进一步地，所述内核的化学式为：

10、liniacobmnco2-0.5dfd，其中，a+b+c＝1，0.5＜a＜0.8，0＜d≤0.02。

11、进一步地，所述正极材料中，所述氧离子导体与氟元素的质量比为(0.25～1)：1。

12、进一步地，所述正极材料中，所述氧离子导体的含量为1000～3000ppm。

13、本申请还提出一种正极材料的制备方法，所述方法包括：

14、将镍源、钴源、锰源、氟源、沉淀剂溶液和络合剂溶液混合，制备得到具有氟元素的三元正极材料前驱体；

15、将所述具有氟元素的三元正极材料前驱体和氧离子导体前驱体混合，制备得到氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体；

16、将所述氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体和锂盐混合，经烧结得到氧离子导体包覆的具有氟元素的三元正极材料。

17、进一步地，所述镍源中镍元素、所述钴源中钴元素和所述锰源中锰元素的摩尔比为a：b：c，其中a+b+c＝1，0.5＜a＜0.8。

18、进一步地，所述镍源中镍元素、所述钴源中钴元素和所述锰源中锰元素的物质的量之和与所述氟源中氟元素的物质的量之比为1:(0.0008～0.0012)。

19、进一步地，在所述具有氟元素的三元正极材料前驱体和氧离子导体前驱体组成的混合物中，所述氧离子导体前驱体的含量为1000～3000ppm；

20、和/或，所述氧离子导体前驱体包括多价金属盐和过渡金属盐，所述多价金属盐中多价金属元素和所述过渡金属盐中过渡金属元素的摩尔比为1:(1.01～1.02)；

21、和/或，所述氧离子导体前驱体与所述氟源中氟元素的质量比为(0.25～1)：1。

22、进一步地，所述多价金属盐为镧盐、锆盐、铈盐、铋盐中的至少一种。

23、进一步地，所述过渡金属元素为w、v、nb、ta、mo中的至少一种。

24、进一步地，当所述过渡金属元素为w时，所述过渡金属盐为氯化钨、钨酸铵、钨酸钠中的至少一种；

25、当所述过渡金属元素为v时，所述过渡金属盐为偏钒酸铵、氯化钒中的至少一种；

26、当所述过渡金属元素为nb时，所述过渡金属盐为草酸铌、氯化铌、硫酸铌中的至少一种；

27、当所述过渡金属元素为ta时，所述过渡金属盐为草酸钽、氯化钽、硫酸钽中的至少一种；

28、当所述过渡金属元素为mo时，所述过渡金属盐为钼酸铵、钼酸钠及钼酸钾中的至少一种。

29、进一步地，所述氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体和所述锂盐中锂元素的摩尔比为1:(0.50～0.52)。

30、进一步地，将镍源、钴源、锰源、氟源、沉淀剂溶液和络合剂溶液混合，制备得到具有氟元素的三元正极材料前驱体，进一步包括：

31、将镍源、钴源、锰源与氟源在溶剂中混合均匀，加入沉淀剂和络合剂使溶液ph为11～12，在60～70℃水浴中持续搅拌反应时间1～2h；

32、继续在60℃～70℃水浴中陈化12～13h后，进行真空抽滤得沉淀物，对所述沉淀物进行洗涤和干燥，获得所述具有氟元素的三元正极材料前驱体。

33、进一步地，将所述具有氟元素的三元正极材料前驱体和氧离子导体前驱体混合，制备得到氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体，进一步包括：

34、将所述具有氟元素的三元正极材料前驱体和氧离子导体前驱体在溶剂中混合均匀，在100～200℃下进行水热反应8～12h，得到氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体。

35、进一步地，将所述氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体和锂盐混合，经烧结得到氧离子导体包覆的具有氟元素的三元正极材料，进一步包括：

36、将所述氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体和锂盐球磨混合，在保护性气氛下，进行烧结，得到所述氧离子导体包覆的具有氟元素的三元正极材料，其中，所述烧结的温度为650～750℃，所述烧结的时间为9～11h。

37、本申请还提出一种电池，包括正极极片和负极极片；所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一面上的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括如上所述的正极材料。

38、本申请还提出一种用电设备，包括如上所述的电池，所述电池作为所述用电设备的供电电源。

39、与相关技术相比，本申请实施例包括以下优点：

40、本申请实施例所提供的正极材料，在三元正极材料的内核中引入了氟离子，由于氟的高电负性特性，其与过渡金属离子形成的金属-氟键的键能高于金属-氧键，从而抑制了过渡金属离子在电化学循环过程中的迁移和溶出，提升了三元正极材料内核结构的稳定性；同时，还在三元正极材料内核表面构建氧离子导体包覆层，氧离子导体包覆层能够容纳内核中因高电压脱锂而释放的氧，避免内核与电解液发生氧化副反应，进而缓解三元正极材料在高压条件下的氧流失和产气问题；进一步地，具有氟元素的三元正极材料与氧离子导体包覆层两者的协同作用提升了三元正极材料在高电压下的结构稳定性和循环稳定性。

41、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

1.一种正极材料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述氧离子导体为多价金属基过渡金属氧化物，所述多价金属包括la、zr、ce、bi中的至少一种。

3.根据权利要求1-2任一项所述的正极材料，其特征在于，所述氧离子导体的化学式为：

4.根据权利要求1-3任一项所述的正极材料，其特征在于，所述内核的化学式为：

5.根据权利要求1-4任一项所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料中，所述氧离子导体与所述氟元素的质量比为(0.25～1)：1。

6.根据权利要求1-5任一项所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料中，所述氧离子导体的含量为1000～3000ppm。

7.一种正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

8.如权利要求7所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述镍源中镍元素、所述钴源中钴元素和所述锰源中锰元素的摩尔比为a：b：c，其中a+b+c＝1，0.5＜a＜0.8。

9.如权利要求7-8任一项所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述镍源中镍元素、所述钴源中钴元素和所述锰源中锰元素的物质的量之和与所述氟源中氟元素的物质的量之比为1:(0.0008～0.0012)。

10.如权利要求7-9任一项所述的正极材料的制备方法，其特征在于，

11.如权利要求10所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述多价金属盐为镧盐、锆盐、铈盐、铋盐中的至少一种。

12.如权利要求10或11所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述过渡金属元素为w、v、nb、ta、mo中的至少一种。

13.如权利要求12所述的正极材料的制备方法，其特征在于，

14.如权利要求7所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体和所述锂盐中锂元素的摩尔比为1:(0.50～0.52)。

15.如权利要求7-9任一项所述的正极材料的制备方法，其特征在于，将镍源、钴源、锰源、氟源、沉淀剂溶液和络合剂溶液混合，制备得到具有氟元素的三元正极材料前驱体，进一步包括：

16.如权利要求7、10-13任一项所述的正极材料的制备方法，其特征在于，

17.如权利要7或14所述的正极材料的制备方法，其特征在于，将所述氧离子导体前驱体包覆的具有氟元素的三元正极材料前驱体和锂盐混合，经烧结得到氧离子导体包覆的具有氟元素的三元正极材料，进一步包括：

18.一种电池，其特征在于，包括正极极片和负极极片；所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一面上的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括如权利要求1-6任一项所述的正极材料。

19.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求18所述的电池，所述电池作为所述用电设备的供电电源。