碳包覆正极材料及其制备方法、锂离子电池

1.一种碳包覆正极材料，其特征在于，所述碳包覆正极材料包括：内核和碳层，所述内核为高镍正极材料，所述碳层含有碳材料；其中，所述碳层物理吸附于所述内核表层；所述内核的粗糙度∆为0.12-0.38，其中，所述粗糙度∆的定义如式I，∆= （I）；式I中，V b 为所述内核的比表面积BET，m 2 /g；W a 为所述内核的松装密度，g/cm 3 ；其中，当所述内核选自团聚颗粒，所述团聚颗粒的粗糙度∆为0.12-0.35；或者，当所述内核选自单晶颗粒，所述单晶颗粒的粗糙度∆为0.15-0.38；其中，所述高镍正极材料具有式II所示的组成，Li n Ni 1-x-y-a-b Co x M y E a G b O 2 （II），式II中，0.9≤n≤1.5，0≤x＜1，0≤y＜1，0≤a≤0.1，0≤b≤0.1，0＜x+y+a+b＜1，M为Mn和/或Al，E选自P、N、B、Ti、Zr、Y、Al、Mg元素中的至少一种；G为表面涂覆层，选自含B、Al和过渡元素中的至少一种的氧化物、硫化物和氟化物。 2.根据权利要求1所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料的包覆层保持率δ≥99%，其中，δ=C 0 /C 1 ；其中，C 0 为所述碳包覆正极材料的碳含量，wt%；C 1 为所述碳包覆正极材料经振动处理后上层料的碳含量，wt%；C 1 的测试方法为取200g所述碳包覆正极材料进行振动处理，所述振动处理的振幅为3mm，频率为250次/min，时间为60min；然后在经振动处理后的碳包覆正极材料的表层称取1g上层料，测量所述上层料的碳含量，wt%。 3.根据权利要求2所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料的包覆层保持率δ为99.5-99.9%；和/或，所述碳包覆正极材料由固相干法包覆制得。 4.根据权利要求1所述的碳包覆正极材料，其中，式II中，0.95≤n≤1.25，0.01≤x≤0.2，0.01≤y≤0.1，0＜a≤0.05，0＜b≤0.05，0.02＜x+y+a+b≤0.4。 5.根据权利要求1所述的碳包覆正极材料，其中，所述内核的平均粒径D 50 为2-16μm；比表面积BET为0.1-2m 2 /g。 6.根据权利要求5所述的碳包覆正极材料，其中，所述内核的平均粒径D 50 为3-14μm；比表面积BET为0.2-1.3m 2 /g。 7.根据权利要求5所述的碳包覆正极材料，其中，当所述内核选自团聚颗粒，所述团聚颗粒的粗糙度∆为0.12-0.25；所述团聚颗粒中一次颗粒的平均粒径D 50 为300-700nm；或者，当所述内核选自单晶颗粒，所述单晶颗粒的粗糙度∆为0.22-0.38；所述单晶颗粒的平均粒径D 50 为0.6-3μm。 8.根据权利要求7所述的碳包覆正极材料，其中，所述团聚颗粒中一次颗粒的平均粒径D 50 为350-500nm；所述单晶颗粒的平均粒径D 50 为1-2μm。 9.根据权利要求1所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳层的厚度为10-200nm；和/或，所述碳包覆正极材料中任意三点处碳含量测试值的标准方差≤0.005；和/或，所述碳层由所述碳材料组成。 10.根据权利要求9所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳层的厚度为50-100nm；和/或，所述碳包覆正极材料中任意三点处碳含量测试值的标准方差≤0.0025；和/或，所述碳材料选自导电碳黑、乙炔黑、炉黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨微粒、多孔碳、软碳、硬碳和人造石墨中的至少一种。 11.根据权利要求1所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料和内核的体积阻抗比为20-70：100；和/或，基于所述碳包覆正极材料的总重量，所述碳层的含量为0.1-5wt%。 12.根据权利要求11所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料和内核的体积阻抗比为30-50：100；和/或，基于所述碳包覆正极材料的总重量，所述碳层的含量为0.96-1.47wt%。 13.根据权利要求1-12中任一项所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料满足：1.1≤Z≤2.5；其中，Z= ，其中，PD c 、AD c 和TD c 分别表示所述碳包覆正极材料的压实密度、松装密度和振实密度，单位均为g/cm 3 ；PD x 、AD x 和TD x 分别表示所述内核的压实密度、松装密度和振实密度，单位均为g/cm 3 。 14.根据权利要求13所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料满足：1.16≤Z≤2.3。 15.根据权利要求13所述的碳包覆正极材料，其中，当所述内核选自团聚型高镍正极材料时，所述碳包覆正极材料满足：1.1≤Z≤1.3；当所述内核选自单晶型高镍正极材料时，所述碳包覆正极材料满足：1.5≤Z≤2.5。 16.根据权利要求15所述的碳包覆正极材料，其中，当所述内核选自团聚型高镍正极材料时，所述碳包覆正极材料满足：1.16≤Z≤1.23；当所述内核选自单晶型高镍正极材料时，所述碳包覆正极材料满足：1.72≤Z≤2.3。 17.根据权利要求13所述的碳包覆正极材料，其中，所述碳包覆正极材料还满足式III： （III）。 18.一种权利要求1-17中任意一项所述的碳包覆正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：在非氧化气氛中，将混合物料进行固相干法包覆，控制设备处理腔的填充率为30-65%，得到的碳包覆正极材料包括内核和碳层；其中，所述混合物料包括碳材料和作为所述内核的高镍正极材料；其中，所述固相干法包覆的过程包括第一混合包覆、第二混合包覆和第三混合包覆；所述第一混合包覆的转速＜第二混合包覆的转速＜第三混合包覆的转速，所述第一混合包覆的时间＜第二混合包覆的时间≤第三混合包覆的时间。 19.根据权利要求18所述的制备方法，其中，所述第一混合包覆的条件包括：转速为600-800rpm，时间为10-30min；所述第二混合包覆的条件包括：转速为700-1000rpm，时间为15-60min；所述第三混合包覆的条件包括：转速为900-1200rpm，时间为20-90min；和/或，所述第一混合包覆、第二混合包覆和第三混合包覆的转速比为1：1.2-1.3：1.4-1.5；所述第一混合包覆、第二混合包覆和第三混合包覆的时间比为1：1.5-2：2-3。 20.根据权利要求18所述的制备方法，其中，所述内核和碳层的质量比为95-99.9：0.1-5。 21.根据权利要求20所述的制备方法，其中，所述内核和碳层的质量比为98.53-99.04：0.96-1.47。 22.根据权利要求20所述的制备方法，其中，所述高镍正极材料由以下方法制得：S1、将锂盐、正极材料前驱体和E源进行第一干法混料，然后进行第一烧结，得到的初产物依次进行破碎、过筛，得到基材；S2、将所述基材与G源进行第二干法混料，然后进行第二烧结，得到第二烧结产物依次进行破碎、过筛，得到具有式II所示组成的高镍正极材料；其中，所述正极材料前驱体具有式IV所示的组成：Ni 1-α-β Co α M β (OH) 2 （IV），0≤α＜1，0≤β＜1，0＜α+β＜1，M选自Mn和/或Al。 23.根据权利要求22所述的制备方法，其中，式IV中，0.01≤α≤0.2，0.01≤β≤0.1，0.02≤α+β≤0.3。 24.根据权利要求22所述的制备方法，其中，步骤S1中，当所述内核选自团聚型高镍正极材料，所述正极材料前驱体的平均粒径D 50 为6-14μm，比表面积BET为4-16m 2 /g，松装密度≥1.4g/cm 3 ，振实密度≥1.8g/cm 3 ；或者，当所述内核选自单晶型高镍正极材料，所述正极材料前驱体的平均粒径D 50 为2-6μm，比表面积BET为4-30m 2 /g，松装密度≥1g/cm 3 ，振实密度≥1.4g/cm 3 。 25.根据权利要求22所述的制备方法，其中，所述锂盐、正极材料前驱体和E源的用量比满足n(Li):n(Ni+Co+M):n(E)=n(Li):1:n(E)，其中，0.9≤n(Li)≤1.5，0≤n(E)≤0.1；和/或，所述E源选自含有P、N、B、Ti、Zr、Y、Al、Mg元素中的至少一种的氧化物、氢氧化物、碳酸盐；和/或，所述G源选自含B、Al和过渡元素中的至少一种的氧化物、硫化物和氟化物；和/或，所述G源的用量满足n(G):n(Ni+Co+M+E+G)=n(G):1，其中，0≤n(G)≤0.1；和/或，所述第一干法混料和第二干法混料的条件各自独立地包括：混料时间为0.5-6h，混料频率为30-150Hz；和/或，所述第一烧结的条件包括：在氧含量为90-99.5体积%的气氛中进行，温度为650-1200℃，升温速率为2-10℃/min，恒温时间为6-20h；和/或，所述第二烧结的条件包括：在氧含量为≥20体积%的气氛中进行，温度为300-800℃，升温速率为2-10℃/min，恒温时间为6-20h。 26.根据权利要求25所述的制备方法，其中，所述锂盐、正极材料前驱体和E源的用量比满足n(Li):n(Ni+Co+M):n(E)=n(Li):1:n(E)，其中，0.95≤n(Li)≤1.25，0＜n(E)≤0.05；和/或，所述G源的用量满足n(G):n(Ni+Co+M+E+G)=n(G):1，其中，0＜n(G)≤0.05。 27.根据权利要求22所述的制备方法，其中，步骤S1中，当所述内核选自团聚型高镍正极材料时，所述第一烧结的温度T满足式V： （V），其中，C Ni 为以金属计的镍源、钴源和M源的混合物中镍的摩尔百分比；或者，当所述内核选自单晶型高镍正极材料时，所述第一烧结的温度T满足式VI： （VI），其中，C Ni 为以金属计的镍源、钴源和M源的混合物中镍的摩尔百分比。 28.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池含有权利要求1-17中任意一项所述的碳包覆正极材料。