[发明专利]一种层状结构纳米锰酸锂镶嵌石墨烯包覆的锂离子电池正极材料、电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二次电池领域，特别是涉及一种表面包覆改性的锂离子电池正极材料、电极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有循环寿命长、功率密度高、能量密度高、电压平台高等优点，目前已广泛用于移动电话、手提电脑等电子产品领域，并且也是电动汽车、电动工具用动力电池的主要选择。正极材料是影响锂离子电池能量密度、循环寿命和安全性的关键因素。目前广泛研究和应用的锂离子电池正极材料包括具有橄榄石结构的磷酸铁锂、磷酸钴锂、磷酸锰锂，具有层状结构的钴酸锂、镍钴锰和镍钴铝三元材料、富锂材料以及具有尖晶石结构的锰酸锂、镍锰酸锂等正极材料。在充放电循环过程中，具有橄榄石、层状、尖晶石结构的锂金属氧化物正极材料和电解液的直接接触会发生界面副反应，导致材料循环性能的衰减，还会造成电池安全性的劣化。为提高锂离子电池正极材料的综合性能，研究者们目前广泛采用表面包覆的手段避免正极材料与电解液之间的直接接触，在改善电池循环寿命和安全性方面取得了良好的效果。然而，目前所采用的包覆层通常为电化学惰性的氧化物、磷酸盐及氟化物，例如：Al₂O₃，TiO₂，SiO₂，AlPO₄，Co₃(PO₄)₂，AlF₃等，这些包覆材料多为绝缘体或半导体材料，电子导电性和(或)离子导电性较差，会降低电池正极材料的容量及倍率性能。因此，发展既具有良好的电子导电性又具有优异的离子导电性的包覆材料及其包覆方法对提高正极材料及锂离子电池的综合性能非常重要。

发明内容

本发明的目是为了解决现有包覆材料电子导电性和离子导电性均较差从而导致锂离子电池正极材料容量低及倍率性能差的问题，提供一种纳米层状结构的锰酸锂镶嵌石墨烯材料包覆的锂离子电池正极材料、电极及制备方法和应用，通过在石墨烯片层上镶嵌锂离子导体制备了一种兼具电子导电性及离子导电性的包覆层材料，使正极材料的容量、倍率性能及循环性能大为提升。

本发明的纳米层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯包覆的锂离子电池正极材料的结构为：纳米层状结构锰酸锂镶嵌在石墨烯的片层上，即纳米层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯材料；该石墨烯材料包覆于锂离子电池正极材料上，纳米层状结构锰酸锂的大小为0.1nm～10nm，纳米层状结构锰酸锂的负载量介于20％wt～90％wt；所述锂离子电池正极材料为具有层状结构、尖晶石结构或橄榄石结构的正极材料；所述纳米层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯材料与锂离子电池正极材料的质量比为(0.5～10)：100，且纳米层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯包覆厚度小于15nm。

本发明的纳米层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯包覆的锂离子电池电极由本发明制备的具有层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯包覆的锂离子电池正极材料与导电剂、粘结剂和集流体组成。

本发明的纳米层状结构锰酸锂镶嵌石墨烯包覆的锂离子电池正极材料、电极按以下步骤进行：

一、制备纳米MnO₂镶嵌的石墨烯材料：将还原氧化石墨配制成1mg/mL～2mg/mL的还原氧化石墨水溶液，然后加入高锰酸钾，再将以上混合溶液于微波炉中以700w～1000w的功率微波3min～5min，去离子水离心洗涤6～8次，冷冻干燥后得到纳米MnO₂镶嵌的还原氧化石墨；将得到纳米MnO₂镶嵌的还原氧化石墨在氩气气氛下180℃～300℃焙烧3h～5h得到纳米MnO₂镶嵌的石墨烯材料；所述高锰酸钾与还原氧化石墨的质量比为1:(0.5～2)；