本發(fā)明涉及電池材料，特別是涉及多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料、制備方法及電化學(xué)裝置。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，基于能源需求和環(huán)保要求，設(shè)計(jì)和制造高儲(chǔ)能能力、高安全性的化學(xué)電源成為新世紀(jì)備受關(guān)注的研究課題之一。鋰離子電池因其優(yōu)異性能在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池在能量密度、安全性和環(huán)境友好性方面存在諸多缺陷。

2、相比之下，基于金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)電池因其高安全性和高能量密度而備受關(guān)注，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。然而，全固態(tài)電池在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些關(guān)鍵問(wèn)題，如正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間存在嚴(yán)重的界面反應(yīng)和界面接觸不良等兩個(gè)難點(diǎn)，從而影響全固態(tài)電池的性能。研究者們通過(guò)對(duì)正極進(jìn)行表面包覆和元素?fù)诫s來(lái)抑制界面副反應(yīng)和機(jī)械穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)表面包覆涂層和單一元素?fù)诫s難以匹配正極材料高壓循環(huán)過(guò)程中的體積變化和不可逆相變，且對(duì)正極晶格氧逸出的抑制作用有限。

3、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于對(duì)本申請(qǐng)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決以上技術(shù)問(wèn)題中的至少之一，提供多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料、制備方法及電化學(xué)裝置。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、在本發(fā)明的第一方面，一種多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料，該正極材料包括內(nèi)核和位于所述內(nèi)核表面的摻雜層，其中，所述內(nèi)核為含鋰層狀氧化物，所述摻雜層為類(lèi)鈣鈦礦相的多元素高熵氧化物界面層。

4、在一些可選的實(shí)施例中，所述摻雜層包含摻雜元素，所述摻雜元素包括la、ca、mg、lu、eu、al、mo、ta、ti、v、cr、fe、cu、zn、zr以及nb中的至少五種。

5、在一些可選的實(shí)施例中，所述摻雜元素由la、ca、mg、lu以及eu組成；所述摻雜元素中各元素的摩爾量為所述內(nèi)核中鋰元素摩爾量的5％～20％。

6、在一些可選的實(shí)施例中，所述摻雜層的厚度為20nm～30nm。

7、在本發(fā)明的第二方面，一種多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法，該制備方法包括以下步驟：

8、將摻雜金屬源溶解于水或有機(jī)試劑中，得到前驅(qū)體溶液，其中所述摻雜金屬源包括摻雜元素；

9、將含鋰正極顆粒加入所述前驅(qū)體溶液中混合，生成固體顆粒干燥后得到粉末物料；以及

10、將所述粉末物料進(jìn)行燒結(jié)，得到所述多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料，其中，所述多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料中，所述摻雜元素位于所述含鋰正極顆粒的表面形成摻雜層，所述摻雜層為類(lèi)鈣鈦礦相的多元素高熵氧化物界面層。

11、在一些可選的實(shí)施例中，所述摻雜元素包括la、ca、mg、lu、eu、al、mo、ta、ti、v、cr、fe、cu、zn、zr以及nb中的至少五種。

12、在一些可選的實(shí)施例中，所述摻雜元素由la、ca、mg、lu以及eu組成；

13、所述摻雜元素中各元素的摩爾量為所述內(nèi)核中鋰元素摩爾量的5％～20％。

14、在一些可選的實(shí)施例中，在所述將所述含鋰正極顆粒加入所述前驅(qū)體溶液中混合的步驟中，所述混合的溫度為25℃～100℃，所述混合的時(shí)間為6h～24h。

15、在一些可選的實(shí)施例中，所述燒結(jié)的升溫速度為1℃/min～5℃/min，所述燒結(jié)的溫度為400℃～800℃，所述燒結(jié)的為4h～8h，所述燒結(jié)的氣氛為氧氣氣氛。

16、在本發(fā)明的第三方面，一種電化學(xué)裝置，所述電化學(xué)裝置包括正極極片、負(fù)極極片以及固態(tài)電解質(zhì)，其中，所述正極極片包括正極材料，所述正極材料為如前述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料。

17、本發(fā)明具有如下有益效果：

18、本發(fā)明提供了一種多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料及其制備方法、應(yīng)用，該正極材料包括內(nèi)核和位于內(nèi)核表面的摻雜層，其中，內(nèi)核為含鋰層狀氧化物，摻雜層為多元素高熵氧化物界面層。該正極材料具有類(lèi)鈣鈦礦相高熵氧化物界面層，有效緩解了正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的界面副反應(yīng)，抑制正極材料在充放電過(guò)程中的體積變化，降低正極側(cè)固-固界面不良接觸的風(fēng)險(xiǎn)，改善正極材料循環(huán)性能，從而提升正極界面的穩(wěn)定性。同時(shí)，該界面層緩解了正極材料在高電壓循環(huán)過(guò)程中的不可逆相變以及晶格氧損失，提升了正極材料的上限截止電壓，實(shí)現(xiàn)高比能、長(zhǎng)循環(huán)壽命的全固態(tài)電池。

19、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料具有摻雜層，該摻雜層為類(lèi)鈣鈦礦相的多元素高熵氧化物界面層，具有高電子導(dǎo)電性和低氧離子電導(dǎo)率，可以充當(dāng)內(nèi)核的氧離子緩沖層，緩解了充放電過(guò)程中正極材料表面晶格氧的逸出，有助于增強(qiáng)正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的界面穩(wěn)定性。通過(guò)增加界面層的熵值，有效緩解了正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的界面副反應(yīng)，同時(shí)抑制正極材料在充放電過(guò)程中的體積變化，降低了正極側(cè)固-固界面不良接觸的風(fēng)險(xiǎn)，改善了正極材料的循環(huán)性能，從而提升電化學(xué)裝置(例如全固態(tài)電池)正極界面的穩(wěn)定性。

20、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。

技術(shù)特征：

1.一種多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料，其特征在于，包括內(nèi)核和位于所述內(nèi)核表面的摻雜層，其中，所述內(nèi)核為含鋰層狀氧化物，所述摻雜層為類(lèi)鈣鈦礦相的多元素高熵氧化物界面層。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料，其特征在于，所述摻雜層包含摻雜元素，所述摻雜元素包括la、ca、mg、lu、eu、al、mo、ta、ti、v、cr、fe、cu、zn、zr以及nb中的至少五種。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料，其特征在于，所述摻雜元素由la、ca、mg、lu以及eu組成；所述摻雜元素中各元素的摩爾量為所述含鋰正極顆粒中鋰摩爾量的5％～20％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料，其特征在于，所述摻雜層的厚度為20nm～30nm。

5.一種多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法，其特征在于，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法，其特征在于，所述摻雜元素包括la、ca、mg、lu、eu、al、mo、ta、ti、v、cr、fe、cu、zn、zr以及nb中的至少五種。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法，其特征在于，所述摻雜元素由la、ca、mg、lu以及eu組成；

8.根據(jù)權(quán)利要求5至7任一項(xiàng)所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法，其特征在于，在所述將含鋰正極顆粒加入所述前驅(qū)體溶液中混合的步驟中，所述混合的溫度為25℃～100℃，所述混合的時(shí)間為6h～24h。

9.根據(jù)權(quán)利要求5至8任一項(xiàng)所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)的升溫速度為1℃/min～5℃/min，所述燒結(jié)的溫度為400℃～800℃，所述燒結(jié)的為4h～8h，所述燒結(jié)的氣氛為氧氣氣氛。

10.一種電化學(xué)裝置，其特征在于，所述電化學(xué)裝置包括正極極片、負(fù)極及片以及固態(tài)電解質(zhì)，其中，所述正極極片包括正極材料，所述正極材料為如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料或如權(quán)利要求5至9中任一項(xiàng)所述的多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料的制備方法制備的正極材料。

技術(shù)總結(jié)
一種多元素界面穩(wěn)定的高電壓全固態(tài)電池正極材料、制備方法及電化學(xué)裝置，該正極材料包括內(nèi)核和位于所述內(nèi)核表面的摻雜層，其中，所述內(nèi)核為含鋰層狀氧化物，所述摻雜層為類(lèi)鈣鈦礦相的多元素高熵氧化物界面層。該正極材料具有類(lèi)鈣鈦礦相高熵氧化物界面層，有效緩解了正極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的界面副反應(yīng)，抑制正極材料在充放電過(guò)程中的體積變化，降低正極側(cè)固?固界面不良接觸的風(fēng)險(xiǎn)，改善正極材料循環(huán)性能，從而提升正極界面的穩(wěn)定性。同時(shí)，該界面層緩解了正極材料在高電壓循環(huán)過(guò)程中的不可逆相變以及晶格氧損失，提升了正極材料的上限截止電壓，實(shí)現(xiàn)高比能、長(zhǎng)循環(huán)壽命的全固態(tài)電池。

技術(shù)研發(fā)人員：溫博華,樊晏沛,李銳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19