[發(fā)明專利]一種石墨烯改性的鋰離子電池正極材料及制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610881796.5
• 申請(qǐng)日: 2016-10-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107919475B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊揚(yáng);馬紫峰;張世明;戴加龍;徐堯;吳剛;章國(guó)明;董新義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海中聚佳華電池科技有限公司;無(wú)錫泰科納米新材料有限公司;江蘇雙良低碳產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/525
• 分類號(hào): H01M4/525;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 上海弼興律師事務(wù)所 31283
• 代理人: 薛琦;沈佳麗

本發(fā)明公開(kāi)了一種石墨烯改性的鋰離子電池正極材料及制備方法和應(yīng)用。正極材料的制備方法步驟如下：(1)對(duì)正極活性物質(zhì)進(jìn)行等離子處理，等離子處理的工作氣體為CF₄、NH₃、CS₂和H₂S中的一種或多種；(2)將經(jīng)等離子體表面改性的正極活性物質(zhì)與石墨烯漿料混合得到混合物料；其中，石墨烯漿料包括如下組分：徑長(zhǎng)不小于10μm的石墨烯、分散劑和溶劑，石墨烯與正極活性物質(zhì)的質(zhì)量比為1:500～1:30；石墨烯漿料的固含量為1～9％；(3)干燥，惰性氣氛下焙燒，冷卻后即得。本發(fā)明的鋰離子電池正極材料中石墨烯與活性物質(zhì)形成面對(duì)點(diǎn)的接觸，增加了石墨烯和活性物質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩者的緊密結(jié)合，提高了材料的導(dǎo)電性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)材料制備和新能源領(lǐng)域，具體是涉及一種石墨烯改性的鋰離子電池正極材料及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

我國(guó)高度重視電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)兩個(gè)五年計(jì)劃的科技攻關(guān)，我國(guó)電動(dòng)汽車在眾多方面都取得了重大進(jìn)展。其中鋰離子電池由于高能量、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車上被廣泛采用。但是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池也面臨著能量密度低、續(xù)航里程不足，倍率性能差、不能滿足快速充電的最大瓶頸。汽車區(qū)別于其他交通工具的優(yōu)勢(shì)就是便捷性，以上兩個(gè)技術(shù)瓶頸對(duì)于電動(dòng)汽車在私人領(lǐng)域的推廣帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，也是影響新能源汽車長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

在中國(guó)，LiFePO₄作為鋰離子電池正極材料制備的動(dòng)力電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)轎車，電動(dòng)公交車等電動(dòng)交通工具。雖然LiFePO₄具有安全性較好、價(jià)格低廉，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但是其電導(dǎo)率低，限制了其大倍率充放能力。經(jīng)研究，用碳材料包覆、金屬離子摻雜以及納米粒子化等手段均能大幅度改善LiFePO₄的倍率性能。然而，碳材料的加入，一方面會(huì)使單質(zhì)碳和氧化物的表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、界面電阻增大，導(dǎo)致容量在倍率充放電時(shí)大幅度下降；另一方面，通過(guò)加碳技術(shù)后磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度大幅度下降，通常低于1.0g/cm³，從而影響了極片的壓實(shí)密度。因此，盡量減少正極材料中的碳含量，同時(shí)又不降低材料的電導(dǎo)率和倍率特性，是目前磷酸鐵鋰正極材料亟待解決的問(wèn)題。

石墨烯是一種由sp²雜化碳原子堆積成的具有單層碳原子厚度的二維蜂窩狀的納米材料。得益于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性及巨大的比表面積，眾多文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道通過(guò)使用石墨烯粉末作為鋰離子電池的導(dǎo)電劑或與電極材料復(fù)合可以使電池獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能。石墨烯優(yōu)異的電子電導(dǎo)率有望降低電極中導(dǎo)電添加劑的比例，提高活性物質(zhì)含量，提升電池的能量密度；石墨烯與電極材料形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低電極極化，實(shí)現(xiàn)電池的快速充電。因此石墨烯可以作為磷酸鐵鋰的理想改性材料。

有大量專利文獻(xiàn)報(bào)道了石墨烯改性的正極材料的制備方法。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102544489A公開(kāi)了基于石墨烯包覆橄欖石型磷酸鐵鋰復(fù)合材料的制備方法，其是在液相中通過(guò)原位合成橄欖石型結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合材料，兩者間可實(shí)現(xiàn)均勻的混合，大大降低了磷酸鐵鋰與石墨烯間的接觸電阻。但是該方法采用氧化石墨烯為原料，還原后得到的石墨烯會(huì)殘留一些含氧基團(tuán)并且存在較多結(jié)構(gòu)缺陷，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，因此基于氧化還原法制備得到的石墨烯不適合應(yīng)用于鋰離子電池。