高性能锂离子电池关键材料

（一）背景

锂离子电池相对于传统的铅酸、铬镍和镍氢电池，具有高能量密度、高电压、环保安全的优势。高镍三元正极材料有着高放电容量、较低的价格等优点，所以被认为是最有前景的正极材料之一。但高镍正极材料在商业化应用方面出现了一些缺点，如长期循环时容量衰减、热稳定性较差、高温储存寿命短、锂残留量高、气体析出、严重的安全隐患等。因此，寻求高能量密度的同时，尽可能减少阳离子混排，提高电池的循环性能和倍率性能是至关重要的。为了解决高镍三元正极材料首圈容量损失、倍率性能和循环性能较差等问题，常采用元素掺杂等手段对正极材料进行改性。但是，单纯的元素掺杂虽然能在一定程度上缓解了富镍三元电极材料的容量衰减问题，但放电容量仍较低。但是这种方法无法改善正极材料的表面结构，其结构表面仍存在不稳定、过渡金属溶解、电解液腐蚀等问题。

除电极材料外，固态电解质也是锂离子电池中一个重要组成部分，它可以替代传统的液态电解质，提高锂离子电池的能量密度、安全性和寿命。固态电解质由于其化学/物理缺陷，如电化学不稳定、锂枝晶穿透及固固界面的不良接触等，阻碍固态电解质的发展和大规模应用。因此，开发具有高性能、高安全性、高稳定性和低成本的固态电解质迫在眉睫。

（二）技术方案

1、开发锂离子电池三元正极材料制备新方法

该锂离子电池包括正极、电解质和负极，正极包括三元正极材料，三元正极材料的制备方法包括：对包含镍钴锰三元正极材料前驱体、锂源与铌源的反应物进行等离子体球磨，得到均匀混合反应物；在有氧气存在的条件下，将均匀混合反应物先进行一阶段煅烧，再进行二阶段煅烧，得到产物 A；至少将所述产物 A 与表面活性剂、导电聚合物和有机溶剂混合均匀，进行干燥处理后，得到三元正极材料。通过等离子体球磨获得铌均匀分布的三元正极材料，并结合 Nb 掺杂和导电聚合物包覆的协同效应，增强层状晶体结构，降低阳离子混排，抑制界面副反应和表面相变，促进锂离子电池循环和倍率性能提升。

2、开发具有高性能、高安全性、高稳定性和低成本的固态电解质通过设计 ZnO 掺杂的聚偏氟乙烯（PVDF）复合固态电解质，实现低阻抗、高稳定性的电解质——锂金属界面。复合固态电解质表现出高的离子电导率（3×10-4 S cm-1），在 1.0 mA cm-2的大电流密度下，可以稳定循环到 350 小时以上。通过形貌和化学表征，确认 ZnO 的电化学活性和亲锂性质可以诱导形成稳定电解质——锂金属中间层。基于此复合固态电解质匹配高压三元镍钴锰正极也可以呈现出高的放电比容量和长循环稳定性。本研究为复合固态电解质界面和电化学稳定性问题提供了一个简单有效的解决方案，为实现低成本高性能复合固态电解质提供一个新的研发方向。

创新点

1、通过先进工艺获得铌均匀分布的三元正极材料，并结合 Nb 掺杂和导电聚合物包覆的协同效应，增强层状晶体结构，降低阳离子混排，抑制界面副反应和表面相变，促进锂离子电池循环和倍率性能的提升。

2、通过设计 ZnO 掺杂的聚偏氟乙烯（PVDF）复合固态电解质，实现低阻抗、高稳定性的电解质－锂金属界面。基于此复合固态电解质匹配高压三元镍钴锰正极也可以呈现出高的放电比容量和长循环稳定性。