【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于鋰離子電池正極材料，具體涉及一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料及其制備方法和應用。
技術介紹
1、近年來，鋰離子電池因其高能量密度、長循環壽命和穩定性，已廣泛應用于電動汽車、消費電子產品和儲能系統等領域。然而，隨著社會和科學技術的發展，對更高性能電池需求的增加，傳統正極材料在能量密度、循環穩定性以及安全性等方面的局限性逐漸顯現。為了解決這些問題，正極材料的改性研究成為提升鋰離子電池整體性能的關鍵手段之一。通過對正極材料進行結構優化、表面改性、摻雜以及新材料的開發，能夠有效提高材料的電化學性能、增強其循環穩定性并延長電池壽命。
2、環保型可充電鋰離子電池在新能源產業中發揮著重要的作用。隨著社會和科學技術的發展，混合動力汽車和電動汽車等對鋰離子電池的能量密度要求不斷上漲，商業化的正極材料如licoo2和lifepo4等，由于可逆容量和工作電壓低的缺陷，難以滿足鋰離子電池的高能量密度需求。三元高鎳正極材料，化學通式為lini1-x-ycoxmnyo2，具有更高的理論比容量(>250mah?g-1)和更寬的電壓范圍?(2.7～4.3?v?vs.?li+/li)，有望成為下一代高能量密度鋰離子電池的正極材料。然而，該材料目前存在的一些固有缺陷嚴重阻礙了其商業化應用：
3、（1）在充電態下，高活性ni4+容易與電解液發生化學副反應，促使電解液分解產生氣體產物和cei相。同時高鎳正極材料表面發生化學退化，轉變為電化學惰性的nio巖鹽相，極大地阻礙了li+的傳輸。同時，充電態下材料表面晶
4、（2）正極材料的機械失效會加劇高鎳正極材料的表面化學退化。在循環過程中，各向異性的晶格體積變化會產生晶間微裂紋，促進電解液不斷沿著晶界向二次顆粒內部滲透，加劇了內部初級顆粒的化學副反應。微裂紋和表面結構退化顯著增加電極阻抗，阻礙li+擴散和電子輸運，從而導致容量衰減。
5、表面改性已被證明能有效改善高鎳正極材料循環性能。通過表面改性的方式，可以在高鎳正極材料表面形成一層保護界面，以減少電解液腐蝕造成的結構破壞，達到提升高鎳正極材料循環穩定性的目的。但是，常用改性方式難以解決高鎳正極材料循環穩定性和倍率問題。
技術實現思路
1、本專利技術目的在于提供一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料及其制備方法和應用，解決了高鎳正極材料存在的較差循環穩定性和倍率性能低的問題。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、本專利技術公開了一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料，其基體為高鎳正極材料，基體表面有包覆層，包覆層為尖晶石相li4mn5o12納米顆粒；
4、其中，尖晶石li4mn5o12所占質量比為高鎳正極材料的1％～3％；
5、高鎳正極材料的化學通式為：lini1-x-ycoxmnyo2，其中0.8≤(1-x-y)<1,?0<x<0.2，0<y<0.2。
6、進一步，所述包覆層的厚度為5~30?nm。
7、本專利技術還公開了所述的尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料的制備方法，包括以下步驟：
8、將高鎳正極材料超聲分散在無水乙醇溶液中，形成黑色懸濁液；
9、分別將可溶性的金屬錳鹽和含有羥基的模板劑溶于無水乙醇中，形成無色透明溶液，作為li4mn5o12的前驅體；
10、將無色透明溶液加入懸濁液中，持續恒溫攪拌加熱4~8?h，得到均勻的混合溶液；
11、將混合溶液進行離心處理，收集固相產物；
12、將固相產物在氧氣氣氛下進行熱處理，自然冷卻后，得到尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料。
13、進一步，所述的金屬錳鹽為硝酸錳或乙酸錳。
14、進一步，模板劑為六亞甲基四胺、聚乙烯吡咯烷酮或溴化十六烷基三甲基銨。
15、進一步，所述恒溫攪拌加熱中，加熱溫度為60～100?℃。
16、進一步，所述熱處理溫度為700～800?℃，時間為2～6?h。
17、本專利技術還公開了所述的一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料在制備鋰離子電池中的應用。
18、進一步，鋰離子電池的工作電壓能夠提升到4.6?v，?在0.1?c電流密度下的放電比容量大于235?mah?g-1。
19、與現有技術相比，本專利技術具有以下有益的技術效果：
20、本專利技術公開了一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料，尖晶石li4mn5o12晶格穩定性高，包覆在高鎳正極材料表面，不僅能降低電解液對活性物質的腐蝕作用，抑制高鎳正極材料晶格氧的析出，增強富高鎳正極材料的循環穩定性；和高鎳正極材料晶格匹配度較高的尖晶石能夠避免包覆層由于體積膨脹帶來的包覆層斷裂現象；尖晶石三維鋰離子擴散通道，提升鋰離子的脫嵌速率，增強高鎳正極材料的倍率性能。
21、進一步，尖晶石相li4mn5o12包覆層的厚度為5~30?nm，包覆層過薄時，難以有效阻擋正極材料與電解液的接觸，仍會產生一定副反應，影響材料的循環穩定性；包覆層過厚時，會阻礙鋰離子的傳輸路徑，增加電阻，降低電池的電導率和倍率性能。
22、本專利技術目的在于提供一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料的制備方法，采用簡單的濕化學法，利用模板劑在加熱后持續釋放出羥基，與金屬錳離子結合，在高鎳正極材料表面生成均勻且可作為li+捕獲層的mn(oh)2納米殼，在高溫700～800?℃，燒結時間為2～6?h時轉化成尖晶石相li4mn5o12涂層。制備過程中如果溫度低于700℃，材料結晶性差，容量低；溫度高于800?℃時會造成鋰的揮發，使材料性能降低。尖晶石li4mn5o12涂層具有較好的離子和電子導電性，有利于提升高鎳正極材料在充放電過程中li+遷移動力學，從而提升高鎳材料的倍率性能。而且尖晶石li4mn5o12涂層厚度能有效抑制電解液腐蝕以及界面副反應，從而提高高鎳正極與電解質界面的電化學穩定性。因而，所制備的尖晶石li4mn5o12包覆的高鎳正極材料，工作截止電壓可以由常規的4.3?v提高到4.6?v，在0.1?c電流密度下的放電比容量大于235?mah?g-1。
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1.一種尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料，其特征在于，基體為高鎳正極材料，基體表面有包覆層，包覆層為尖晶石相Li4Mn5O12納米顆粒；
2.根據權利要求1的所述尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料，其特征在于，所述包覆層的厚度為5~30?nm。
3.權利要求1或2所述的尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬錳鹽為硝酸錳或乙酸錳。
5.根據權利要求3所述的尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料的制備方法，其特征在于，模板劑為六亞甲基四胺、聚乙烯吡咯烷酮或溴化十六烷基三甲基銨。
6.?根據權利要求3所述的尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料及其制備方法，其特征在于，所述恒溫攪拌加熱中，加熱溫度為60～100?℃。
7.?根據權利要求3所述的尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料及其制備方法，其特征在于，所述熱處理溫度為700～
8.權利要求1~7任意一項所述的一種尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料在制備鋰離子電池中的應用。
9.?權利要求8所述的一種尖晶石相Li4Mn5O12包覆的高鎳正極材料在制備鋰離子電池中的應用，其特征在于，鋰離子電池的工作電壓能夠提升到4.6?V，?在0.1?C電流密度下的放電比容量大于235?mAh?g-1。
...【技術特征摘要】
1.一種尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料，其特征在于，基體為高鎳正極材料，基體表面有包覆層，包覆層為尖晶石相li4mn5o12納米顆粒；
2.根據權利要求1的所述尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料，其特征在于，所述包覆層的厚度為5~30?nm。
3.權利要求1或2所述的尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬錳鹽為硝酸錳或乙酸錳。
5.根據權利要求3所述的尖晶石相li4mn5o12包覆的高鎳正極材料的制備方法，其特征在于，模板劑為六亞甲基四胺、聚乙烯吡咯烷酮或溴化十...
【專利技術屬性】
技術研發人員：杜高輝，王云婷，韓迪，魯雨樂，蘇慶梅，許并社，
申請(專利權)人：陜西科技大學，
類型：發明
國別省市：
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