[发明专利]一种氧化硅-石墨烯包覆高镍锂电池正极材料及制备方法

说明书

本发明提供一种氧化硅‑石墨烯包覆高镍锂电池正极材料及制备方法，将锂源、镍源、钴源、锰源及助剂按比例混合球磨制备为高镍三元前驱体浆料，将固定有纳米介孔氧化硅微球的丝网浸渍于浆料中，之后进行预烧、烧结、超声粉碎、研磨，获得氧化硅支撑的高镍三元粉体材料，接着将高镍三元粉体置于有机溶剂配置为悬浊液，通过物理手段剥离石墨烯片层加入悬浊液并进行搅拌，过滤烘干后进行低温热处理，获得石墨烯‑氧化硅共包覆的高镍三元正极材料。本发明解决了高镍三元正极材料在保持容量和倍率性能的情况下，锂离子脱嵌过程中结构坍塌，体积形变严重的问题，而且工艺简单，易于连续化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子材料技术领域，具体涉及一种氧化硅-石墨烯包覆高镍锂电池正极材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池和传统的蓄电池比较起来，不但能量更高，放电能力更强，循环寿命更长，而且其储能效率能够超过90%，以上特点决定了锂离子电池在电动汽车、存储电源等方面极具发展前景。随着锂电池成为各类电子装置电源的主流,需求量的不断的增加，对电池的要求也越来越高，开发高容量、高能量密度的锂电池越来越重要，开发新的高容量高安全性能的活性材料越来越紧迫。过去，为了提升电池的电容量，几乎都从电池设计来着手，但是此种方法目前已趋近极限，想再提高电池的电容量，必须更换新的材料体系。

镍钴铝酸锂NCA三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池正极材料，NCA 三元材料结构中的 Ni、Co和Al 在一定比例范围内可以相互取代，体现出了不同元素间良好的协同作用，能很好的形成共熔体。镍钴锰酸锂NCA三元材料具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点，这类材料可以同时有效克服钴酸锂材料成本过高、锰酸锂材料稳定性不高、磷酸铁锂容量低等问题，认为是取代钴酸锂的理想正极材料。

Li Ni_{0. 8}Co_{0. 15}Al_{0. 05}O₂等Ni的摩尔分数≥0.6的高镍三元材料凭借着高容量、好的安全性能等优势，得到了大量研究者的密切关注，并且已应用于特斯拉Model-S电动车。但高镍含量一方面带来了结构不稳定和高温胀气严重的问题，随着镍含量的增加，高活性不稳定的Ni⁴⁺也随之增多，过多的的Ni⁴⁺很容易从过渡金属层迁移到Li⁺层，为了保持电荷平衡，Ni⁴⁺在材料表面的Li⁺层中会转变Ni²⁺，导致Ni²⁺和Li⁺混排，同时在表面会形成NiO岩盐相，而NiO岩盐相的生成使得Li+在材料界面迁移的阻力增加，从而导致材料倍率性降低。由于过高的镍含量，活性材料的表面迁移的锂离子极易与附着的碳酸根形成碳酸锂，增加不可逆容量的损失，正极材料表面的碳酸锂在高压下分解，极易造成电池胀气，具有很大的安全隐患。另一方面由于Co含量较低导致其倍率性能相对较低。

目前的解决方法主要包括掺杂处理和表面包覆。如中国发明专利申请号201710167988.4公开了基于高镍材料的钴镁共掺杂改性三元前驱体及正极材料的制备方法，将镍钴镁混合溶液、氨水和氢氧化钠混合溶液、氢氧化钠溶液并流加入反应釜中，共沉淀反应后，先得到前驱体粉末，再将前驱体粉末与锂盐混合均匀，在管式炉中煅烧，研磨过筛得到高镍三元正极材料，但是该方案制备环境为碱性环境，难以避免碱残留，影响电池性能。中国发明专利申请号201510898223.9公开了一种高镍三元材料原位包覆方法，包括以下五个步骤(1)酸处理：正极粉末材料加入酸溶液进行浸泡酸处理；(2)干燥处理：酸处理后的正极材料粉末抽滤，洗涤干燥；(3)配比钠源：烘干后的正极材料按添加钠源；(4)喷雾干燥：将混合溶液在喷雾干燥机中进行喷雾干燥；(5)烧结处理：将干燥后的粉末在600℃-900℃下，空气气氛中进行烧结，烧结时间为2-5h，烧结完成后过筛，得到产品，但该方案工艺步骤较为繁琐，难以进行工业化推广。