用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池和涉电装置与流程

本技术属于电池，具体涉及一种用于锂电池的正极材料及其制备方法、锂电池和涉电装置。

背景技术：

1、正极材料是锂电池中重要的材料，对锂电池的性能起着重要作用。钴酸锂具有较高的比容量和较好的高电压循环稳定性，使其得到了广泛的应用，且在锂电池正极材料中占据重要地位。

2、传统钴酸锂正极材料空间群为r-3m，氧堆积排列顺序为abcabc，属于o3相结构。o3相结构的钴酸锂正极材料在4.5v的充电截止电压的情况下容量能达到190mah/g。然而，随着锂电池的电压的进一步升高，o3相钴酸锂会发生一系列不可逆的相变，例如，从o3相到h1-3相，从h1-3相到o1相，使得正极材料的电化学稳定性大大降低。

3、为了提高正极材料的压实密度和电化学性能，满足对锂电池日益增长的高能量密度需求，可以将p2相的钴酸钠通过离子交换制备o2相的钴酸锂。

4、o2相是一种亚稳态结构，在温度超过300℃会转化为o3相结构，一般通过在溶液中进行离子交换，制得o2相钴酸锂。然而，相关技术中，一般需要1-2天的离子交换才能制备出纯度较高的o2相的钴酸锂，且制得的钴酸锂正极材料的压实密度和电化学性能较低。

技术实现思路

1、本技术提供了一种用于锂电池的正极材料及其制备方法，该制备方法包括两次离子交换；缩短了离子交换的总时间，提高了生产效率，也使正极材料中的锂元素含量较高；提高了正极材料的压实密度和克容量，有利于包含该正极材料的锂电池在高电压下具有良好的容量保持率。本技术还提供了包含该正极材料的锂电池和涉电装置。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种用于锂电池的正极材料的制备方法，制备方法包括两次离子交换，两次离子交换包括：将nac(coym1-y)o2与第一可溶性锂盐在第一溶剂中进行第一离子交换，制得第一中间产物，第一离子交换的时长t1满足关系：0.5h≤t1≤5h；将第一中间产物与第二可溶性锂盐在第二溶剂中进行第二离子交换，制得第二中间产物，第二离子交换的时长t2满足关系：0.5h≤t2≤5h；由第二中间产物制得正极材料，正极材料的化学式为lianab(coxm1-x)o2；其中，0.5≤c≤0.9，0＜y≤1，0.9≤a≤1，0≤b≤0.1，0＜x≤1，m选自ca、mg、ni、ba、mn、zr、cr、mo、nb、sb、si、ta、ho、bi、cu、sn、zn、ce、la、y、ti、al、fe和sr中的至少一种。

3、本技术实施例的方法，采用nac(coym1-y)o2与第一可溶性锂盐混合得到第一中间产物，反应初始阶段，nac(coym1-y)o2中的钠离子浓度较高，锂离子浓度较低，第一离子交换的速率较快，随着反应进行，nac(coym1-y)o2中的钠离子和锂离子趋向平衡，离子交换速率衰减；接着添加第二可溶性锂盐，可维持反应界面的较高离子浓度差，持续强化推动第二离子交换快速进行，缩短达到新平衡的时间，通过两步骤中的两次离子浓度差，缩短了正极材料产业化制备的总时间，提高了生产效率。

4、由于正极材料产业化制备的总时间缩短，该材料在溶剂中的时间较短，减少溶液对正极材料的解聚和腐蚀，提高正极材料的压实密度和形貌结构稳定性，有利于锂电池在高电压下具有良好的容量保持率。

5、本技术实施例的方法，通过nac(coym1-y)o2与第一可溶性锂盐混合以及第一中间产物与第二可溶性锂盐混合，重新设置了反应体系中的钠元素和锂元素的浓度，在每一步中维持较高的局部浓度差，加速扩散过程，维持较高的离子交换驱动力；打破nac(coym1-y)o2与第一可溶性锂盐混合后形成的“平衡”，添加第二可溶性锂盐时吉布斯自由能变化(δg)更负，推动离子交换反应向正方向移动；上述反应体系的两次平衡协同作用，提高了锂离子与钠离子的离子交换率，使正极材料中的锂元素含量较高；从而提高了正极材料的克容量。

6、在一些可选的实施例中，第一离子交换的时长t1满足关系：1h≤t1≤2h。

7、在一些可选的实施例中，第二离子交换的时长t2满足关系：1h≤t2≤2h。

8、在一些可选的实施例中，第一离子交换的温度为60℃至110℃。

9、在一些可选的实施例中，第二离子交换的温度为60℃至110℃。

10、在一些可选的实施例中，第一离子交换中的li元素和na元素的摩尔比为(5～25)：1。

11、在一些可选的实施例中，第二离子交换中的li元素和na元素的摩尔比为(5～25)：1。

12、在一些可选的实施例中，第一离子交换包括将nac(coym1-y)o2与第一可溶性锂盐在第一溶剂中进行搅拌混合，搅拌速度为200rpm～1000rpm，制得第一中间产物。

13、在一些可选的实施例中，第二离子交换包括将第一中间产物与第二可溶性锂盐在第二溶剂中进行搅拌混合，搅拌速度为200rpm～1000rpm，制得第二中间产物。

14、在一些可选的实施例中，由第二中间产物制备得到正极材料还包括第三离子交换、第四离子交换、第五离子交换。

15、在一些可选的实施例中，第二中间产物制备得到正极材料包括：将第二中间产物与第三可溶性锂盐在第三溶剂中进行第三离子交换得到第三中间产物。

16、在一些可选的实施例中，制备得到第三中间产物之后还包括：将第三中间产物与第四可溶性锂盐在第四溶剂中进行第四离子交换。

17、在一些可选的实施例中，第一可溶性锂盐、第二可溶性锂盐、第三可溶性锂盐、第四可溶性锂盐分别独立地选自硝酸锂、氢氧化锂、碳酸锂、氯化锂、碘化锂、氟化锂、溴化锂及磷酸锂中的一种或多种。

18、在一些可选的实施例中，第一可溶性锂盐在第一溶剂中的物质的量的浓度为1～5mol/l；

19、在一些可选的实施例中，第二可溶性锂盐在第二溶剂中的物质的量的浓度为1～5mol/l。

20、在一些可选的实施例中，第三可溶性锂盐在第三溶剂中的物质的量的浓度为1～5mol/l；

21、在一些可选的实施例中，第四可溶性锂盐在第四溶剂中的物质的量的浓度为1～5mol/l。

22、在一些可选的实施例中，第一溶剂、第二溶剂、第三溶剂、第四溶剂分别独立地选自水、有机溶剂中的一种或混合物。

23、在一些可选的实施例中，nac(coym1-y)o2的制备方法包括：将钠源与过渡金属源按照摩尔比(0.5～0.9)：1进行混合，升温至500℃～1500℃煅烧10h～25h，制得nac(coym1-y)o2，其中，0.5≤c≤0.9，0＜y≤1。

24、在一些可选的实施例中，第一离子交换之后，和/或，第二离子交换后，分别独立的还包括：后处理步骤，后处理步骤包括过滤、洗涤、干燥和过筛，其中，干燥的温度为80℃～120℃。

25、第二方面，本技术实施例提供了一种用于锂电池的正极材料，正极材料的化学式为lianab(coxm1-x)o2，其中，0.9≤a≤1，0≤b≤0.1，0＜x≤1，m选自ca、mg、ni、ba、mn、zr、cr、mo、nb、sb、si、ta、ho、bi、cu、sn、zn、ce、la、y、ti、al、fe和sr中的至少一种；正极材料在半径为6.5mm的圆形测试样形态下，经3吨压力压实后的压实密度为4.10g/cm3至4.35g/cm3。

26、在一些可选的实施例中，正极材料x射线衍射图谱中，正极材料的a1/(a1+a2)的比值大于等于0.95且小于1，其中，a1表示在衍射角2θ为18°～20°处的衍射特征峰的面积，a2表示在衍射角2θ为14°～17°处的衍射特征峰的面积。

27、在一些可选的实施例中，正极材料在4.5v电压和0.1c电流下的克容量为185mah/g至205mah/g。

28、在一些可选的实施例中，正极材料在4.6v电压和0.1c电流下的克容量为210mah/g至225mah/g。

29、第三方面，本技术实施例提供了一种锂电池，锂电池包括由第一方面的制备方法制得的正极材料或第二方面的正极材料制成的电极。

30、第四方面，本技术实施例提供了一种涉电装置，包括第一方面的锂电池。