[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其是涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法。

背景技术

作为一种新型储能装置，锂离子电池和锂离子电池储能系统的开发必将推动可再生能源的有效利用和新能源汽车的发展，对于解决能源短缺和减少环境污染具有重要意义。在过去十几年的，对锂离子电池正极材料的研究主要集中在尖晶石结构的LiCoO₂，LiMn₂O₄和橄榄石结构的LiFePO₄以及他们的衍生物。LiCoO₂是第一个商业化的正极材料，但是其可用容量低于150mAh/g，而且Li_1-xCoO₂结构不稳定，LiCoO₂易与电解液发生氧化还原反应，造成不可逆容量损失和安全问题；另外，钴资源有限、价格昂贵。LiFePO₄是现在研究最热的正极材料，其理论容量只有170mAh/g，也不能满足储能系统对锂电池的需要。所以，开发一种高容量、长寿命、高安全性、低成本的锂离子电极材料成为现在突破能源发展瓶颈的关键。

层状化合物LiV₃O₈具有比较好的晶体结构稳定性，因而具有优良的嵌锂能力，表现在电池比容量高和循环寿命长等优势,是极具研究价值的锂离子电池正极材料之一。LiV₃O₈是由八面体和三角双锥组成，位于八面体位置的Li⁺离子与邻近层紧紧相连，在LiV₃O₈层间有3个以上的锂离子可以进行可逆的嵌入/脱出。但是LiV₃O₈的倍率性能会受到Li⁺离子扩散和电子传输的制约。现阶段大多采用材料纳米化的方式来改进材料的电化学性能，溶胶-凝胶法、水热法、冷冻-干燥法等方法可以合成形貌、尺寸、结晶度和电化学性能各不相同的LiV₃O₈。但是材料纳米化的改性方式在提高材料的稳定性方面的效果并不显著。因此，寻求一种低成本和高效率的LiV₃O₈改性正极材料的制备方法是亟待解决的难题。

石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料，具有独特的二维结构和优异的电学、力学以及热学性能，因此石墨烯复合的正极材料被认为是解决锂离子电池材料电化学稳定性的有效途径。如何利用石墨烯获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料，才是有效改善材料的电化学性能的关键。Runwei Mo(Chem.Commun,10.1039)发明了一种利用石墨烯原位水热复合的方法，合成出一种在石墨烯表面原位生长的LiV₃O₈纳米棒，该正极材料表现出较为优异的电化学性能。Xinliang Feng(Chem.Commun,10.1002)发明了一种利用石墨烯包覆金属氧化物做负极材料的方法，包覆后的负极材料在电化学性能的各项测试中都有了较明显的提高。但是目前为止，石墨烯与正极材料的复合仍然是研究的难点，电化学性能方面有待有质的提升。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在大电流密度下，材料性能的提升更加明显的锂离子电池正极材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锂离子电池正极材料，由LiV₃O₈纳米片层，以及在LiV₃O₈表面包覆的石墨烯层复合得到，其中，LiV₃O₈纳米片的含量是65～90wt％，石墨烯含量为10～35wt％。

锂离子电池正极材料的制备方法，采用以下步骤：

(1)利用表面活性剂将钒源和有机酸或者过氧化氢均匀分散在水溶液中，通过水热法合成前驱体，再利用溶胶-凝胶及高温焙烧制备得到LiV₃O₈纳米片；

(2)对步骤(1)制备得到的LiV₃O₈纳米片超声分散，然后通过LiV₃O₈表面电荷修饰、氧化石墨烯包覆、氧化石墨烯还原以及冷冻干燥，得到石墨烯包覆的LiV₃O₈片层锂离子电池正极材料。

步骤(1)中：