[发明专利]一种石墨烯-硅酸锰锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-硅酸锰锂正极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池，因其高能量密度以及长循环寿命等优点，被广泛应用于手机和笔记本电脑等便携式电子设备。与锂离子电池负极材料（石墨容量为370mAh g^-1,硅容量为4200mAh g^-1）相比，正极材料（层状材料~150mAh g^-1，LiFePO₄~170mAh g^-1）被认为是提高锂离子电池能量密度的一个限制性因素。为了设计下一代锂离子电池（作为混合电汽车、纯电动车以及新兴智能电网的主要电源），开发并优化新型的高容量正极材料显得至关重要。

最近，一种新型的硅酸盐类聚阴离子型正极材料Li₂MnSiO₄，由于其成本低、原料易得、安全性好、理论比容量高等优点，自2006年报道以来逐渐引起人们的关注。在理论上，由于存在Mn²⁺/Mn³⁺和Mn³⁺/Mn⁴⁺这两个氧化还原电子对，1mol Li₂MnSiO₄可以脱嵌2mol锂离子，其理论容量高达333mAh g^-1。然而，硅酸锰锂存在电子电导率低，以及在充放电过程中结构不稳定等问题，目前的合成方法所制备的硅酸锰锂正极普遍存在容量偏低和循环性能差等问题，阻碍了其在锂离子电池中的实际应用。

本发明通过将多孔的二氧化硅负载在石墨烯表面，并作为硅源，所合成的硅酸锰锂颗粒细小，表面包覆一层无定形碳，且均匀的负载在石墨烯基底上，有效提高了硅酸锰锂的导电性和电化学性能，表现出良好的电池性能。

发明内容

针对目前的制备方法得到的硅酸锰锂正极材料电子电导率低、电化学活性差等问题，本发明提供一种石墨烯-硅酸锰锂正极材料的制备方法，有效提高硅酸锰锂正极的电池性能。

本发明的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先在石墨烯表面负载不同含量的多孔二氧化硅，按比例将石墨烯-二氧化硅、锂盐、锰盐和添加剂加入水中，超声分散均匀，且使锂、锰、硅元素摩尔比为2：1：1，添加剂的加入量为混合物总质量的0~20 wt%。

（2）步骤1中的混合液在60℃下搅拌直到溶剂完全挥发，所得固体在惰性气氛保护中加热处理，升温速率为5~10℃/min，先升温到300~400℃，恒温3~10小时，降至室温。将所得中间产物在玛瑙研钵中研磨均匀，压片，在惰性气氛中加热到700~900℃，恒温煅烧5~20小时，制得石墨烯-硅酸锰锂复合正极材料。

所述的添加剂为蔗糖、柠檬酸和葡萄糖中的一种或几种混合物。

所述的锂源化合物是醋酸锂、甲酸锂、氢氧化锂和硝酸锂中的一种或几种混合物。

所述的锰源化合物是醋酸锰、草酸锰和氯化锰中的一种或几种混合物。

步骤3中的惰性气氛为氮气或氩气。

本发明的优点在于：（1）材料的制备工艺简单，对设备要求低，易于实现工业化。（2）所制备的硅酸锰锂颗粒小，表面包覆一层无定形碳，且均匀的负载在石墨烯表面，有效提高材料的导电性。（3）所制备的硅酸锰锂具有良好的电化学性能。

附图说明

图1是实施例4样品的X射线衍射图谱；

图2是实施例4样品的透射电镜图；

图3是实施例4样品的循环性能图。

所用测试仪器型号及厂家分别为：X射线衍射仪（RIGAKU SCXmini，Rigaku），透射电镜（JEM-2010，JEOL），电池测试系统（LAND 2001A，武汉金诺电子有限公司）

具体实施方式

实施例1. 175mg石墨烯氧化物加入到100ml含有1g十六烷基三甲基溴化铵和40mg氢氧化钠的去离子水中，超声分散均匀。在40℃水浴中搅拌2h，再逐滴加入0.5mL硅酸四乙酯，继续反应12h，经过离心，过滤后于80℃过夜烘干。上述产物在氩气中，10℃/min加热到800℃，保温3h，自然冷却至室温得到石墨烯-二氧化硅复合材料。