[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

本发明属于储能材料技术领域，特别涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其快速充放电、低温性能好、比能量大、自放电率小、体积小、重量轻等优势，自其诞生以来，便给储能领域带来了革命性的变化，被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。然而随着人们生活水平的提高，更高的用户体验对锂离子电池提出了更高的要求：更长的待机时间、更加快速的充放电速度等；为了解决上述问题必须寻找新的性能更加优异的电极材料。

目前商业化的锂离子电池正极材料，基本均为半导体或绝缘体，材料颗粒本身的导电性能非常差，为了解决上述问题，现有技术主要有将材料颗粒纳米化之后造球得到二次颗粒结构、一次颗粒造球过程中加入具有优良导电性能的导电材料等等，以提高正极材料整体颗粒的导电性能；同时采用包覆技术，对材料表面进行包覆，从而增加材料表面的导电性能。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等采用机械剥离法首次制备得到石墨烯(Graphene)，由此拉开了该材料制备、运用研究的序幕。所谓石墨烯，是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热性能优良、热膨胀系数低等突出优点：具体而言，高的比表面积(理论计算值：2630m²/g)；高导电性、载流子传输率(200000cm²/V·s)；高热导率(5000W/mK)；高强度，高杨氏模量(1100GPa)，断裂强度(125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极大的运用前景。具体来说，由于石墨烯具有优异的导电性能，本身的质量极轻，且具有柔性的二维平面结构，是较为理想的表面包覆材料。然而石墨烯材料独特的二维平面结构，对离子在锂离子电池正极颗粒内外传输过程中具有明显的阻碍作用，从而影响到锂离子电池正极材料动力学性能的发挥。

有鉴于此，确有必要提出一种锂离子电池正极材料及其制备方法，其既可发挥出石墨烯的最大优势，又能避免其对锂离子电池正极材料表面包覆后影响离子在正极材料内外的传输。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种锂离子电池正极材料，包括核结构和壳结构，所述壳结构均匀包覆于所述核结构表面，所述核结构颗粒直径为D1，所述壳结构厚度为h1，所述壳结构中含有石墨烯，所述石墨烯片层厚度h2≤100nm，所述石墨烯片层平面直径d1≤π*D1。从而制备得到电化学性能优良的锂离子电池正极材料。本发明具有普适性，适用于储能研究领域的、所有需要进行表面包覆的电极材料，具体包括锂离子正极材料、锂离子负极材料(如石墨、硅碳、钛酸锂、合金负极等等)以及其他电池电容器材料(如锂空气电池、燃料电池、钠离子电池、锌离子电池等等)。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂离子电池正极材料，包括核结构和壳结构，所述壳结构均匀包覆于所述核结构表面，其特征在于，所述核结构颗粒直径为D1，所述壳结构厚度为h1，所述壳结构中含有石墨烯，所述石墨烯片层厚度h2≤100nm，所述石墨烯片层平面直径d1≤π*D1，即此时，石墨烯片层最多将核结构的一半区域包覆住，不会完全封闭离子在锂离子电池正极材料内外的传输。

作为本发明锂离子电池正极材料的一种改进，所述核结构为一次颗粒结构或二次颗粒结构或多次颗粒结构；所述核结构中包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰、镍钴铝、镍酸锂、锂钒氧化物、富锂正极材料中的至少一种。

作为本发明锂离子电池正极材料的一种改进，所述石墨烯片层平面直径d1≤2πD1/3，当石墨烯包覆在一次颗粒表面时，如果d1＝2πD1/3，那么离子由石墨烯片层边缘扩散至石墨烯片层中心区域时的路径，正好等于离子由核结构表面扩散进入核中心区域的路径，此时石墨烯片层对锂离子电池正极材料的动力学性能影响较小。

作为本发明锂离子电池正极材料的一种改进，所述包覆层中，还包含有传统包覆层或/和单体原位聚合得到的聚合物碳化组分。