本發(fā)明涉及電池，具體涉及一種正極活性材料及制備方法、正極片、電池和用電裝置。
背景技術(shù)：
1、在傳統(tǒng)液態(tài)電池中，由于其電解液電壓窗口較低，電池正極易與電解液發(fā)生副反應(yīng)，進(jìn)而造成電池能量密度和循環(huán)性能的下降。相比之下，固態(tài)電解質(zhì)能夠耐受更高電壓，有效抑制電池正極與電解質(zhì)間的副反應(yīng)，有望進(jìn)一步提升電池的能量密度、循環(huán)壽命及安全性。
2、盡管如此，固態(tài)電池中的電池正極與固態(tài)電解質(zhì)間仍面臨嚴(yán)重的界面挑戰(zhàn)，包括界面空隙和空間電荷層效應(yīng)等。因此，對(duì)正極活性材料表面進(jìn)行修飾，以增強(qiáng)其與固態(tài)電解質(zhì)的界面兼容性和穩(wěn)定性，成為提升固態(tài)鋰離子電池綜合性能的關(guān)鍵所在。因此，如何克服上述存在的技術(shù)問題和缺陷成為重點(diǎn)需要解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)電池正極與固態(tài)電解質(zhì)的界面空隙大和空間電荷層效應(yīng)低的問題，本發(fā)明提供了一種正極活性材料及制備方法、正極片、電池和用電裝置。
2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
3、本發(fā)明第一方面提供了一種正極活性材料，所述正極活性材料包括基體、及包覆在基體外部的過渡金屬元素改性層和碳材料層，所述過渡金屬元素改性層包括摻雜過渡金屬元素的基體材料以及包含過渡金屬元素的含鋰氧化物離子導(dǎo)體。
4、可選的，所述基體為富鋰錳材料基體，所述富鋰錳材料基體的分子式為li1+xniacobmncmdo2，其中，0<x<0.5，0.30≤a≤0.40，0≤b≤0.10，0.50≤c≤0.70，0≤d≤0.1，且a+b+c+d+x＝1，m選自：al、ba、ce、cu、fe、k、la、mg、na、ru、sc、sr、ti、yb、zn和zr中的一種或多種。
5、可選的，所述富鋰錳材料基體的比表面積為0.5-5m2/g，振實(shí)密度為1.5-2.5g/cm3，壓實(shí)密度為2.0-3.3g/cm3，顆粒尺寸d50為500nm-15μm,尺寸分布k90為（(d90-d10)/d50）為0.2-2.0。
6、可選的，以所述正極活性材料的總質(zhì)量計(jì)，所述過渡金屬元素占所述正極活性材料的總質(zhì)量為500-5000ppm。
7、可選的，所述過渡金屬元素包括v、nb、ta、cr、mo、w中的一種或多種。
8、可選的，以所述正極活性材料的總質(zhì)量計(jì)，所述碳元素占所述正極活性材料的總質(zhì)量為0.1%-5%。
9、可選的，所述過渡金屬元素改性層的厚度為1-27nm；所述碳材料層的厚度為3-29nm；所述過渡金屬元素改性層和所述碳材料層的厚度為3-30nm。
10、本發(fā)明第二方面提供了一種正極活性材料的制備方法，包括以下制備步驟：
11、提供前體混合液，所述前體混合液中分散有富鋰錳材料基體以及溶解有過渡金屬源試劑，充分混合后，將前體混合液固液分離，分離后的固體煅燒得到正極活性材料前體；
12、將碳源材料、正極活性材料前體分散在第一溶劑中，固液分離，分離后的固體煅燒得到正極活性材料。
13、可選的，所述“提供前體混合液，所述前體混合液中分散有富鋰錳材料基體以及溶解有過渡金屬源試劑”包括以下制備方法：
14、將過渡金屬源試劑溶解到第二溶劑中，配制成溶液a；
15、將富鋰錳材料基體分散在第三溶劑中，得到懸濁液b；
16、將溶液a與懸濁液b混合，得到前體混合液。
17、可選的，所述過渡金屬源試劑包括含有過渡金屬元素的氯化物、氟化物、氧化物、氫氧化物、有機(jī)金屬化合物中的一種或多種。
18、可選的，所述碳源材料選自羧基類有機(jī)酸、糖類有機(jī)物、有機(jī)聚合物、導(dǎo)電炭黑、碳納米管、石墨烯、碳纖維中的一種或多種。
19、可選的，以所述第二溶劑的總質(zhì)量計(jì)，所述過渡金屬源試劑在第二溶劑中的質(zhì)量占比為1-10%；或，
20、以所述第三溶劑的總質(zhì)量計(jì)，所述富鋰錳材料基體在第三溶劑中的質(zhì)量占比為5-80%。
21、可選的，以所述第一溶劑的總質(zhì)量計(jì)，所述碳源材料在第一溶劑中的質(zhì)量占比為0.1%-10%。
22、本發(fā)明第三方面提供了一種正極片，包括正極集流體及設(shè)置在正極集流體至少一側(cè)的正極活性物質(zhì)層，所述正極活性物質(zhì)層包括導(dǎo)電劑、助劑及正極活性材料，所述正極活性材料包括上述所述的正極活性材料，或由上述所述的正極活性材料的制備方法制備得到的正極活性材料。
23、本發(fā)明第四方面提供了一種電池，包括如上述所述的正極片。
24、本發(fā)明第五方面提供了一種用電裝置，包括如上述所述的電池。
25、根據(jù)本發(fā)明提供的正極活性材料，通過在基體表面包覆過渡金屬元素改性層和碳材料層，對(duì)基體進(jìn)行雙層結(jié)構(gòu)包覆改性，從而在熱處理階段可將過渡金屬元素tm摻入基體表面，多余的金屬元素tm與基體的表面的殘鋰反應(yīng)生成含鋰氧化物離子導(dǎo)體包覆層。由于tm-o具有較高的鍵能，在高電壓下，可以有效抑制氧析出，緩解電壓衰減、提升循環(huán)穩(wěn)定性。離子導(dǎo)體含鋰氧化物和電子導(dǎo)體碳包覆層的協(xié)同作用能夠改善正極活性材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面接觸，減少離子電子電導(dǎo)因素導(dǎo)致的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受限，充分激發(fā)了全固態(tài)電池中正極活性材料的容量潛力。
1.一種正極活性材料，其特征在于：所述正極活性材料包括基體、及包覆在基體外部的過渡金屬元素改性層和碳材料層，所述過渡金屬元素改性層包括摻雜過渡金屬元素的基體材料以及包含過渡金屬元素的含鋰氧化物離子導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極活性材料，其特征在于：所述基體為富鋰錳材料基體，所述富鋰錳材料基體的分子式為li1+xniacobmncmdo2，其中，0<x<0.5，0.30≤a≤0.40，0≤b≤0.10，0.50≤c≤0.70，0≤d≤0.1，且a+b+c+d+x＝1，m選自：al、ba、ce、cu、fe、k、la、mg、na、ru、sc、sr、ti、yb、zn和zr中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正極活性材料，其特征在于：所述富鋰錳材料基體的比表面積為0.5-5m2/g，振實(shí)密度為1.5-2.5g/cm3，壓實(shí)密度為2.0-3.3g/cm3，顆粒尺寸d50為500nm-15μm,尺寸分布k90為（(d90-d10)/d50）為0.2-2.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極活性材料，其特征在于：以所述正極活性材料的總質(zhì)量計(jì)，所述過渡金屬元素占所述正極活性材料的總質(zhì)量為500-5000ppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極活性材料，其特征在于：所述過渡金屬元素包括v、nb、ta、cr、mo、w中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極活性材料，其特征在于：以所述正極活性材料的總質(zhì)量計(jì)，所述碳元素占所述正極活性材料的總質(zhì)量為0.1%-5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極活性材料，其特征在于：所述過渡金屬元素改性層的厚度為1-27nm；所述碳材料層的厚度為3-29nm；所述過渡金屬元素改性層和所述碳材料層的厚度為3-30nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的正極活性材料的制備方法，其特征在于：包括以下制備步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的正極活性材料的制備方法，其特征在于：所述“提供前體混合液，所述前體混合液中分散有富鋰錳材料基體以及溶解有過渡金屬源試劑”包括以下制備方法：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的正極活性材料的制備方法，其特征在于：所述過渡金屬源試劑包括含有過渡金屬元素的氯化物、氟化物、氧化物、氫氧化物、有機(jī)金屬化合物中的一種或多種。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的正極活性材料的制備方法，其特征在于：所述碳源材料選自羧基類有機(jī)酸、糖類有機(jī)物、有機(jī)聚合物、導(dǎo)電炭黑、碳納米管、石墨烯、碳纖維中的一種或多種。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的正極活性材料的制備方法，其特征在于：以所述第二溶劑的總質(zhì)量計(jì)，所述過渡金屬源試劑在第二溶劑中的質(zhì)量占比為1-10%；或，
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的正極活性材料的制備方法，其特征在于：以所述第一溶劑的總質(zhì)量計(jì)，所述碳源材料在所述第一溶劑中的質(zhì)量占比為0.1%-10%。
14.一種正極片，其特征在于：包括正極集流體及設(shè)置在正極集流體至少一側(cè)的正極活性物質(zhì)層，所述正極活性物質(zhì)層包括導(dǎo)電劑、助劑及正極活性材料，所述正極活性材料包括權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的正極活性材料，或由權(quán)利要求8-13任意一項(xiàng)所述的正極活性材料的制備方法制備得到的正極活性材料。
15.一種電池，其特征在于：包括如權(quán)利要求14所述的正極片。
16.一種用電裝置，其特征在于：包括如權(quán)利要求15所述的電池。