[发明专利]一种石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料及其制备的锂离子电池

说明书

本发明公开一种可充放锂离子的石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料及包含该材料的高电压可充放锂离子电池。所述多层带孔类球形锰酸锂是以三氧化二锰为前驱体使用固相法制备而成，具有多孔、分层和开口的形貌，复合后的材料中石墨烯片层结构均匀地分散在所制备的锰酸锂颗粒周围。所述高电压可充放锂离子电池是以石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂为正极，金属锂或或可嵌脱锂活性材料为负极，可溶性锂盐有机溶液为电解液。本发明公开的石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂作为锂离子电池电极材料，具有成本低、原料丰富、电压高、倍率性能好和循环稳定性强的优点。包含该材料的可充放锂离子电池具有高能量密度和高功率密度，具有广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料领域，具体涉及可充放锂离子的石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料及包含该材料的高电压的可充放锂离子电池。

背景技术

锂离子电池作为新能源和电子设备之间能量传输的媒介，以其高比能、长循环寿命等优点，已被广泛地应用于手机、电脑、电动汽车等设备。然而面向下一代交通运输、电网和更高要求的消费电子产品等领域，目前的锂离子电池并不能满足要求，因此开发具有高电压、高功率密度和高能量密度的锂离子电池成为目前的迫切需求。

锂离子电池体系中，正极材料对电池性能的影响最为明显。相比钴酸锂、磷酸锰锂和三元材料，尖晶石锰酸锂具有锰源丰富、合成工艺稳定简单、电压高、成本低和安全性好等优点，已被成功应用于锂离子电池生产中，但较差的倍率性能和短的循环寿命却大大限制了其进一步应用。尖晶石锰酸锂由于在电化学反应中Mn的溶解，导致材料的循环稳定性差；且在大倍率时，材料的锂离子传输速率和电子传导率较低，使材料在较大倍率下极化严重，放电比容量较低。

现今，主要通过控制形貌、体相掺杂和材料复合解决以上问题。形貌控制方面，材料纳米化和构筑多孔堆积结构，提升离子传输速率。另外，通过和碳等高导电性材料复合提高电子导电性。但纳米材料活性太高容易加快了材料的溶解，降低稳定性，元素掺杂的锰酸锂其循环性能及倍率未能得到明显提高。

发明内容

本专利公开的石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂具有新奇独特的形貌及均匀的石墨烯包覆：多孔分层开口的形貌增加了电解液存储的空间，缩短了Li⁺传输的路径，降低了浓差极化，成功提升了材料的离子扩散率和循环性能；多层带孔类球形锰酸锂是由多面体晶体结构组成，有效降低了Mn的溶解，加强了材料的循环稳定性；石墨烯的均匀分散包覆，使材料的电子导电性增强。因而，材料具有成本低、原料丰富、电压高、倍率性能好和循环稳定性强的优点，包含该材料的可充放锂离子电池具有高能量密度和高功率密度，具有广阔的市场应用前景。

实现本发明的技术方案是：一种石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料，石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料由片层结构的石墨烯均匀分散在锰酸锂颗粒周围构成，所述锰酸锂为一次颗粒堆积而成的多层带孔类球形结构，一次颗粒的粒径为100-200 nm，堆积而成的多层带孔类球形锰酸锂电极材料的粒径为1-5 μm。

石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料中石墨烯的量为锰酸锂质量的1%-20%。

所述石墨烯复合多层带孔类球形锰酸锂电极材料的制备方法如下：

（1）将十六烷基三甲基溴化铵和碳酸氢铵溶解于去离子水中形成混合溶液一；

（2）将硫酸锰溶于去离子水中形成混合溶液二；

（3）将步骤（1）得到的混合溶液一置于40-60 ℃的油浴中，将步骤（2）得到的混合溶液二滴加到混合溶液一中，滴加完毕后调节pH为7-8之间，得到混浊溶液；

（4）将步骤（3）得到的混浊溶液水洗离心，烘干，得到碳酸锰初级粉体，碳酸锰初级粉体在600-800℃下煅烧，得到前驱体三氧化二锰；