CN114420937A - 一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双阳离子共掺杂的高镍三元正极材料及其制备方法，该正极材料的分子式为LiNixCoyMnzMaQbO2；其中，M为具有大离子半径的Sr、Ca、Sn、Ba、Y中的至少一种；Q为与氧具有强结合能的Zr、Ti、Ru中的至少一种；其中，0.5≤x＜1，0＜z≤y＜x，0.001≤a≤0.05，0.001≤b≤0.05且x+y+z+a+b＝1。本发明通过在高镍三元材料中加入M和Q，可有效克服了现有高镍三元正极材料存在的倍率性能差、循环过程中容量和电压衰减严重等问题。

Description

一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，更具体地，涉及一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料及其制备方法和应用。
背景技术
化石能源是人类生存及社会、国家、科技发展的根本保证，因此能源问题液成了全球所面临的共同难题。
自19世纪70年代第二次工业革命以来，化石燃料的消耗在急速增长，全球经济活动所需要的绝大多数能量都来自于化石能源，造成了大量的资源浪费，能源趋于衰竭。同时对化石燃料的过渡开采也导致了自然环境的严重恶化，造成了如酸雨、雾霾、全球变暖等一系列威胁人类生命安全的环境问题。因此，大规模地推广使用清洁环保的电动汽车可以有效缓解能源危机和全球变暖问题。而锂离子电池作为新一代可充电电源，具有能量密度高、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、安全性能高等优点，是当前可充电电池的主流发展方向。
为了满足电动汽车锂离子电池的高能量密度、低成本、长循环寿命的需求，高镍三元层状正极LiNixCoyMnzO2，受益于其高放电比容量（＞200mAh/g）、相对较低的成本和毒性，一直被认为是锂离子电池最优选的正极材料。然而，由于Co具有较高的成本及轻微毒性，当前三元正极材料的发展趋势是减少其Co的含量，但是不可避免地带来了倍率性能的退化；同时，在高荷电状态下，H2→H3相变导致晶体c轴出现突然的各向异性晶格收缩，颗粒内部产生并累积大量的机械应力，进而导致活性颗粒的微裂纹形成、粉碎和电子隔音。而颗粒微裂纹为电解质深入颗粒内部提供了快速通道，加速内部电极/电解质界面的寄生副反应，并导致NiO状有害相变的形成、聚集和持续的阻抗生长。此外，电解液中的H+种类会严重腐蚀活性颗粒的表面，导致过渡金属离子的溶解及氧气的释放，并进一步产生严重的电压衰减和安全问题。高镍层状正极的大规模应用主要依赖于解决这些瓶颈问题。
现有技术中，为了解决上述技术问题，一般集中在对三元正极材料进行离子掺杂改性。
然而，现有技术中的离子掺杂均存在一定缺陷：掺杂引入的非活性物质元素会导致电池的容量下降，而且大多集中于单元素掺杂，很难兼顾同时提升倍率性能和循环稳定性，极大限制了其在快速充放电、长续航寿命电动汽车中的进一步应用。
因此，寻求合适的掺杂剂以及有效的掺杂方法对于改善高镍三元正极材料的倍率性能和结构稳定性及安全性至关重要。
发明内容
基于此，本发明的目的之一在于提供一种双阳离子掺杂的高镍三元正极材料，该高镍三元正极材料不但可以改善本征电导率，提高锂离子扩散传输动力学性能，而且可以抑制循环过程中微裂纹产生，缓解其在循环过程中的容量衰减与电压下降，有效克服现有高镍三元正极材料存在的倍率性能差、循环过程中容量和电压衰减严重等问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料，分子式为：LiNixCoyMnzMaQbO2；其中，M为具有大离子半径的Sr、Ca、Sn、Ba、Y中的至少一种；Q为与氧具有强结合能的Zr、Ti、Ru中的至少一种；其中，0.5≤x＜1，0＜z≤y＜x， 0.001≤a≤0.05，0.001≤b≤0.05且x+y+z+a+b＝1。
在一些实施方式中，所述M和Q均匀分布在所述高镍三元正极材料中。
在一些实施方式中，所述M为Sr和/或Ba，Q为Zr、Ti、Ru中的至少一种。可明显提高正极材料的循环稳定性，使正极材料可在1C下循环200次后容量保持率仍为97%以上。
本发明的目的之二在于提供上述任一实施方式的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将含镍、钴、锰元素的第一原料和含M、Q元素的第二原料以及锂源混合，球磨，得到前驱体混合物；
S2、将所述前驱体混合物依次在450~700℃和650~900℃下分段烧结，然后以1.5~9.5℃/min的速率冷却，得到所述双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料。
在一些实施方式中，所述含镍、钴、锰元素的第一原料包括但不限于同时含镍钴锰的化合物（包括但不限于氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐等）、由含镍、钴、锰中的一种或两种或三种元素的化合物（包括但不限于氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐等）组成的混合物。更具体地，包括但不限于氧化镍、氧化钴、氧化锰、二氧化锰、四氧化三锰以及同时含镍锰、镍钴、钴锰以及镍钴锰的氧化物等；含镍、钴、锰中至少一种的碳酸盐包括但不限于碳酸镍、碳酸钴、碳酸锰等；含镍、钴、锰中至少一种的氢氧化物包括但不限于氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化锰、氢氧化镍钴锰等；含镍、钴、锰中至少一种的醋酸盐包括但不限于醋酸镍、醋酸钴、醋酸锰等。本申请的第一原料须同时含有镍、钴、锰元素，可根据化合物的元素组成自行添加其他元素的化合物或混合物。
在一些实施方式中，所述含M、Q元素的第二原料包括但不限于同时含M和Q元素的化合物（如氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐等）、由含M、Q元素至少一种的化合物组成的混合物，所述由含M、Q元素至少一种的化合物组成的混合物包括由含M元素的化合物和含Q元素的化合物组成的混合物、或者由含M或Q元素组成的化合物与同时含M、Q元素的化合物组成的混合物、或者由同时含M、Q元素的化合物组成的混合物，具体地，含M、Q元素中至少一种的化合物为含M、Q元素中至少一种的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐中的至少一种；包括但不限于仅含Q元素的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐、仅含M元素的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐、同时含有元素M和Q的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐、硝酸盐中的至少一种；具体地，如元素M的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐、硝酸盐等，元素Q的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐、硝酸盐等，或者同时含有元素Q和M的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、醋酸盐或其他盐等。更具体地，含元素Q的氧化物包括ZrO2、TiO2、RuO2中的至少一种；含元素M的氧化物包括SrO、CaO、SnO、BaO、Y2O3中的至少一种；含元素M和Q的氧化物包括SrZrO3、SrTiO3、BaTiO3和CaTiO3中的至少一种。
在一些实施方式中，所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂和硝酸锂中的至少一种；锂源加入摩尔量的过量系数为1~10%。
在一些实施方式中，步骤S1中，采用湿法球磨的方式，具体为：原料混合后，加入有机溶剂进行球磨，球磨速率为300~800 rpm/min。
在一些实施方式中，所述有机溶剂为乙醇或异丙醇，加入有机溶剂可防止原料团聚、沉积。
在一些实施方式中，球磨时间为1~48h。
在一些实施方式中，第一次烧结时间为3~9h；第二次烧结时间为8~48h。
在一些实施方式中，第一次烧结后，以0.5~5℃/min的速率升温；和/或，第二次烧结完成后，冷却速率为2~5.5℃/min。
本发明的目的之三在于提供一种正极极片，该正极极片包括上述任一实施方式所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料或上述任一实施方式所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法制成的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料。
本发明的目的之四在于提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的正极极片。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明的方案中，元素M和元素Q均取代过渡金属中的镍、钴、锰的位点，其中，通过在高镍三元正极材料中掺杂具有大离子半径的元素M和与氧（O）具有强结合能的元素Q，M元素取代高镍三元材料中的过渡金属镍、钴和锰的位点，可扩大晶格c轴，增加锂层间距，提高锂离子扩散传输动力学性能；元素Q因其与氧具有强的结合能，强Q-O共价键可以有效稳定晶格O，在高电位下可以抑制晶格氧过渡氧化，缓解晶格氧流失，也可以消除晶格氧氧化过程中产生的超氧自由基，缓解超氧自由基引起的电解液分解，通过元素M和元素Q二者的协同作用，一方面减少了Co用量，另一方面，有效促进锂离子的扩散传输，提高倍率性能的同时，抑制该高镍三元正极材料在循环过程中的容量衰减与结构崩塌，有效提高电池长期的循环稳定性和热稳定性。
本发明提供的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料，应用于锂离子电池中，可使电池具有优异的倍率性能和长期循环稳定性以及热稳定性。
本发明提供的制备方法，将原料经球磨后再进行分段烧结，可制备层状的高镍三元正极材料，而且方法简单、原料易得，缩短了合成时间，降低工艺成本，适于规模化应用，易于推广。
附图说明
图1为本发明对比例1所制得的NCM样品在放大倍率为1000倍下的SEM照片；
图2为本发明实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品在放大倍率为1000倍下的SEM照片；
图3为本发明实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品和对比例1所制得的NCM样品的X射线衍射图谱；
图4为本发明实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品和对比例1所制得的NCM样品分别用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池的首次充放电曲线的首次充放电曲线；
图5为本发明实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品和对比例1所制得的NCM样品分别用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池在1 C电流密度下循环200次的质量比容量曲线。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
在本发明实施例中，所用含镍、钴和锰的化合物为市售复合物产品Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2；其余所用实验原料均为常规市售产品。
在本发明实施例中，所用设备和仪器等均可在市场上购买得到或者经现有技术制备得到。
实施例1
本实施例提供了一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料，其制备方法包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.0001 mol 掺杂剂SrZrO3、0.021mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速500 rpm/min下球磨12 h, 然后在80 ℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以3 ℃/min的速度升温至500 ℃后，保温烧结5 h，再以3 ℃/min的速度升温至750 ℃并保温烧结12 h，随后以3 ℃/min的速度冷却至常温，即得双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料Sr-Zr-NCM。
实施例2
本实施例提供了一种双阳离子共掺杂的高镍三元正极材料，其制备方法具体包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.0001 mol 掺杂剂SrTiO3、0.021mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速700 rpm/min下球磨10 h, 然后在80 ℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以5 ℃/min的速度升温至480 ℃后，保温烧结5 h，再以2 ℃/min的速度升温至760 ℃并保温烧结12 h，随后以5 ℃/min的速度冷却至常温，即得双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料Sr-Ti-NCM。
实施例3
本实施例提供了一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料，其制备方法具体包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.0001 mol 掺杂剂BaTiO3、0.021mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速300 rpm/min下球磨15h，然后在80 ℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以1 ℃/min的速度升温至600 ℃后保温5 h后，再以6 ℃/min的速度升温至800 ℃并保温12 h，随后以3℃/min的速度冷却至常温，即得双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料Ba-Ti-NCM。
实施例4
本发明实施例提供了一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.0001 mol 掺杂剂SrO、0.0001mol 掺杂剂RuO2、0.021 mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速500 rpm/min下球磨12 h, 然后在80 ℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以3 ℃/min的速度升温至450 ℃后，保温烧结5 h，再以5 ℃/min的速度升温至720 ℃并保温烧结12 h，随后以4.5 ℃/min的速度冷却至常温，即得双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料Sr-Ru-NCM。
实施例5
本发明实施例提供了一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.00005 mol 掺杂剂Eu2O3、0.0001 mol 掺杂剂RuO2、0.021 mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速500 rpm/min下球磨12 h, 然后在80℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以3 ℃/min的速度升温至580 ℃后，保温烧结5 h后，再以3 ℃/min的速度升温至800 ℃并保温烧结10h，随后以7.5 ℃/min的速度冷却至常温，即得双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料Eu-Ru-NCM。
对比例1
本实施例提供了一种高镍三元正极材料，其制备方法包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.021 mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物（锂源和前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2）的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速500 rpm/min下球磨12 h, 然后在80℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以3 ℃/min的速度升温至500 ℃后，保温烧结5 h，再以3 ℃/min的速度升温至750 ℃并保温烧结12 h，随后以3 ℃/min的速度冷却至常温，即得高镍三元正极材料NCM。
对比例2
本对比例提供了一种单阳离子掺杂的高镍三元正极材料，其制备方法具体包括以下步骤：
S1、称取0.02 mol前驱体Ni0.85Co0.10Mn0.05(OH)2、0.0001 mol 掺杂剂SrO、 0.021mol锂源LiOH·H2O置于玛瑙球磨罐中得到原料混合物，其中LiOH·H2O过量5% mol以防止高温烧结过程中蒸发损失；然后添加溶剂异丙醇，其中异丙醇与原料混合物的质量比为10:1；
S2、将S1中装载了原料混合物的球磨罐置于球磨机中，在转速500 rpm/min下球磨12 h，然后在80℃真空干燥12 h，得到混合均匀的原料粉末；
S3、将S2中的原料粉末转移至刚玉方舟中，然后置于氧气气氛下，先以3 ℃/min的速度升温至500 ℃后，保温烧结5 h，再以3 ℃/min的速度升温至750 ℃并保温烧结12 h，随后以3 ℃/min的速度冷却至常温，即得单阳离子掺杂的高镍三元正极材料Sr-NCM。
将对比例1所制得的NCM样品和实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品进行表征，结果分别如图1和图2所示。图1为本发明对比例1所制得的NCM样品在放大倍率为1000倍下的SEM照片；图2为本发明实施例2所制得的Sr-Zr-NCM样品在放大倍率为1000倍下的SEM照片。
从图1和图2中可以看出，所制得的样品均由一次纳米颗粒组装的二次微米球组成，且平均尺寸大小在10 μm左右；此外，对比图1和图2可以发现，与对比例1所制得的NCM样品相比，实施例1所制得的掺杂后的Sr-Zr-NCM高镍三元正极材料样品的微观形貌并无明显变化。
图3为本发明对比例1所制得的NCM样品和实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品的X射线衍射图谱。从图3中可以看出，所制得的样品均为层状结构，对应的空间群为R-3m；此外，衍射峰（003）/（104）的峰强比均大于1.2，证明Li/Ni混排微弱；值得注意的是，掺杂Sr和Zr元素后（003）/（104）的峰强比增加，表明Li/Ni的混排程度降低；此外，（006）/（102）和（108）/（110）两对劈裂峰均明显分裂，证明本发明获得了良好的层状结构。
分别将实施例1-5和对比例1-2所制得的样品用作锂离子电池正极材料，制备正极极片，并进行电化学性能测试具体过程如下：
（1）将所制备的粉末状正极材料与乙炔黑（导电剂）、聚偏氟乙烯（PVDF，粘接剂）以质量比8：1：1混匀，滴加适量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为分散剂，研磨成浆料；随后，将浆料均匀涂覆在铝箔上，120 ℃真空干燥12 h，得到正极极片，转移至氩气气氛手套箱中备用；
（2）在氩气气氛手套箱中组装半电池，以金属锂为对电极，以LiPF6/碳酸乙烯酯（按体积比计，EC：DMC：DEC=1：1：1+0.3%LiBOB）为电解液，组装规格为CR2016型的扣式电池，使用恒流充放电模式进行充放电。
首次放电容量和库伦效率测试结果如图4以及表1所示。
其中，图4为本发明对比例1所制得的NCM样品和实施例2所制得的Sr-Zr-NCM样品用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池的首次充放电曲线；从图4中可以看出，其首圈放电容量分别为210.1 mAh/g（NCM）和209.1（Sr-Zr-NCM）mAh/g，其对应的库伦效率分别为86.7 %（NCM）和90.2 %（Sr-Zr-NCM）。
表1 所制得的各样品制备正极极片后测得的首圈放电容量和库伦效率
Figure 918881DEST_PATH_IMAGE001
表1为本发明各实施例和对比例所制得的各样品用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池的首圈放电容量和库伦效率的结果。
结合图4和表1的结果可以看出，双阳离子共掺杂后所制得的样品用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池的首次库伦效率显著提高，表明双阳离子共掺杂的高镍三元正极材料在充电过程中的不可逆容量损失得到了明显的抑制。
循环稳定性测试结果如图5和表2所示。其中，图5为本发明对比例1所制得的NCM样品和实施例1所制得的Sr-Zr-NCM样品用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池在1 C电流密度下循环200次的质量比容量曲线；从图5中可以看出，其在1 C电流密度下循环200次后的保持率分别为99.3 %（Sr-Zr-NCM）和74.8 %（NCM）。
表2 所制得的各样品制备正极极片后循环200次后的保持率
Figure 163917DEST_PATH_IMAGE002
表2为本发明各实施例和对比例所制得的各样品用作锂离子电池正极材料制备正极极片的扣式电池循环200次后的保持率的结果。
结合图5和表2的结果可以看出，双阳离子共掺杂后所制得的样品用作锂离子电池正极材料可以有效抑制扣式电池在循环过程中的容量衰减。
综上，本发明的方案，通过在高镍三元正极材料中掺杂特定的双阳离子，大离子半径元素的掺杂可有效改善正极材料的倍率性能，而对循环稳定性的提升不足；利用另一掺杂元素与氧元素较强的结合能且与过渡金属元素的半径相当的特性，有效抑制循环过程中微裂纹产生，稳定晶体结构，显著提高正极材料的长期循环稳定性，有效克服现有正极材料存在的倍率性能差、循环过程中容量和电压衰减严重等问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将含镍、钴、锰元素的第一原料和含M、Q元素的第二原料以及锂源混合，球磨，得到前驱体混合物；
S2、将所述前驱体混合物依次在450~700℃和650~900℃下分段烧结，然后以1.5~9.5℃/min的速率冷却，得到所述双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料；
所述双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的分子式为LiNixCoyMnzMaQbO2；其中，M为具有大离子半径的Sr、Ca、Sn、Ba、Y中的至少一种；Q为与氧具有强结合能的Zr、Ti、Ru中的至少一种；其中，0.5≤x＜1，0＜z≤y＜x， 0.001≤a≤0.05，0.001≤b≤0.05且x+y+z+a+b＝1。
2.根据权利要求1所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，其特征在于，所述第一原料包括同时含镍、钴、锰元素的化合物或者含镍、钴、锰元素中至少一种的化合物组成的同时含镍、钴、锰元素的混合物；和/或，所述第二原料为同时含M、Q元素的化合物或含M、Q元素中至少一种的化合物组成的同时含M和Q元素的混合物。
3.根据权利要求1所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂和硝酸锂中的至少一种；锂源加入摩尔量的过量系数为1~10%。
4.根据权利要求1所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用湿法球磨的方式，具体为：原料混合后，加入有机溶剂进行球磨，球磨速率为300~800 rpm/min。
5.根据权利要求1所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法，其特征在于，第一次烧结后，以0.5~5℃/min的速率升温；和/或，第二次烧结完成后，冷却速率为2~5.5℃/min。
6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制成的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料。
7.根据权利要求6所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料，其特征在于，所述M和Q均匀分布在所述高镍三元层状正极材料中。
8.正极极片，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料的制备方法制成的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料或权利要求6或7所述的双阳离子共掺杂的高镍三元层状正极材料。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求8所述的正极极片。
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