[發(fā)明專利]一種少層石墨烯改性富鋰錳基正極材料及其制備方法

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• 申請日: 2021-10-14
• 公開（公告）號: CN113968592A
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳林;王萌;訚碩;劉吉云;紀(jì)方力;李亞玲;左玲立
• 申請（專利權(quán)）人: 北京機科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司;中偉新材料股份有限公司;洛陽儲變電系統(tǒng)有限公司
• 主分類號: C01G45/12
• 分類號: C01G45/12;C01B32/19;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/62;H01M10/0525
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本發(fā)明公開了一種少層石墨烯改性富鋰錳基正極材料的制備方法，包括：將可膨脹石墨微波加熱得到膨脹石墨；將前驅(qū)體材料、膨脹石墨溶于有機溶劑中，經(jīng)過超聲剝離，洗滌烘干，形成改性前驅(qū)體；將改性前驅(qū)體與鋰源混合后進行燒結(jié)得到少層石墨烯改性富鋰錳基正極材料。本發(fā)明的工藝流程簡便、原料成本低廉、條件易于控制和操作，易于規(guī)?；a(chǎn)，其制備的改性富鋰錳基材料不僅具有優(yōu)異的倍率性能，而且還有高比容量及穩(wěn)定的循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本專利屬于鋰離子電池材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種少層石墨烯改性富鋰錳基正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

新能源汽車及新一代電子產(chǎn)品對鋰離子電池的性能提出了更高要求，即鋰離子電池在提升高能量密度的同時，還需具有高功率和長循環(huán)壽命的特性。鋰離子電池的正極材料是實現(xiàn)其高性能的關(guān)鍵因素之一。

富鋰錳基正極材料因其超高比容量(＞250mAh·g^－1)、低成本和高安全性，受到了廣泛的關(guān)注。盡管高比容量的富鋰錳基正極材料有著巨大潛力，但是富鋰錳基正極材料還存在著首次庫倫效率低、倍率性能差等問題，這些問題制約了富鋰錳基正極材料在鋰離子電池中的實際應(yīng)用。

針對富鋰錳基正極材料倍率性能差的問題，研究者們做了大量的改性研究以改善材料的性能，主要包括表面包覆修飾、材料摻雜復(fù)合與材料納米化等手段。其中，碳材料、納米碳材料和導(dǎo)電聚合物等電子良導(dǎo)體用于富鋰錳基正極材料的包覆改性，可有效地改善材料的倍率性能差的問題。但一般碳材料包覆改性所獲得的碳導(dǎo)電層為無定形碳，較石墨化碳(石墨烯或碳納米管)電導(dǎo)性差，導(dǎo)電率提升有限；而導(dǎo)電聚合物用于富鋰錳基正極材料的包覆改性，會降低材料的質(zhì)量能量密度，影響了它的實際應(yīng)用。

石墨烯作為新型的納米碳材料，兼有石墨和碳納米管等碳基材料的一些優(yōu)良性質(zhì)，具有優(yōu)越的電子導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，可有效地解決體積比容量、能量密度和大倍率充放電能力低的問題。目前主要采用兩種方法制備石墨烯復(fù)合正極材料，一種是直接混合，一種是氧化石墨烯法。第一種方法價格昂貴，且石墨烯難以分散均勻；第二種方法中氧化石墨烯雖然可以實現(xiàn)均勻包覆電極材料，但是其表面過多的缺陷導(dǎo)致其電性能不佳，還需要額外還原方法得到含有一定缺陷的石墨烯。同時，氧化石墨烯的制備成本較高，在現(xiàn)階段工業(yè)化應(yīng)用存在一定難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種少層石墨烯改性富鋰錳基正極材料的制備方法，制備具有較高倍率放電比容量、優(yōu)異循環(huán)性能的鋰離子電池正極材料。

本發(fā)明為一種少層石墨烯改性富鋰錳基正極材料及其制備方法，其特征在于，該材料的分子式為xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂，其中，M是Ni、Co、Mn、Cr、Mg、Al、Fe、Ru中的一種或幾種的組合，0x1。其制備方法包括以下步驟：

(1)前驅(qū)體制備：在非還原氣氛中，將金屬鹽溶液與沉淀劑和絡(luò)合劑同時滴加入反應(yīng)容器內(nèi)，在30～70℃、pH＝7～10之間的條件下進行恒溫攪拌，反應(yīng)完全后沉淀在30～70℃繼續(xù)陳化4～24h，所得沉淀采用去離子水過濾洗滌數(shù)次，在105℃下烘干，得到前驅(qū)體；

(2)取可膨脹石墨置于微波爐中進行膨脹，功率10kw，膨脹時間為10～60s，得到膨脹石墨A。

(3)將上述步驟(1)中所述前驅(qū)體和步驟(2)中所述膨脹石墨A溶于功能有機溶劑中，滴加一定量有機偶聯(lián)劑，攪拌預(yù)分散，形成混合溶劑B。其中，10～300mL功能有機溶劑加入0.1g膨脹石墨A；膨脹石墨A與前驅(qū)體材料的質(zhì)量比為0.1～5％；有機偶聯(lián)劑與膨脹石墨A的質(zhì)量比為1-50％；

(4)將步驟(3)中得到的混合溶劑B超聲剝離10-120min，輔以機械攪拌，攪拌速度為100-1000r/min，形成少層石墨烯改性前驅(qū)體懸濁液，常溫攪拌0.5h～2h，經(jīng)洗滌數(shù)次后烘干，得到改性前驅(qū)體。