[发明专利]一种锂离子电池石墨烯复合三元正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池石墨烯复合三元正极材料及其制备方法，该正极材料首先用模板法合成铝掺杂的氧化镍钴锰锂正极材料，然后将铝掺杂的氧化镍钴锰锂正极材料和石墨烯加入去离子水中搅拌均匀，进行水热反应，冷却后离心、洗涤和干燥得到铝掺杂的氧化镍钴锰锂正极材料/石墨烯复合正极材料。本发明通过复合可以综合两种材料的优点，提高电子电导率和离子电导率，提高电池的输出功率密度，而且还可以提高三元材料的结构稳定性，从而得到循环性较好、容量较高、能量密度较大的复合正极材料。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，尤其涉及一种锂离子电池石墨烯复合三元正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是在锂原电池的基础上发展的新一代二次电池，广泛用于小型便携式电子通讯产品和电动交通工具。目前已经产业化的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、改性锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。钴酸锂虽然性能稳定，但成本较高且钴元素有毒，可能造成环境污染。尖晶石型锰酸锂虽然价格低廉，但存在Jahn-Teller效应而导致循环性能较差，并且其电化学性能在高温时因为锰的溶解问题而衰减较快。磷酸铁锂导电性差、产品批次一次性差、低温性能差，并存在微量铁的溶解可能引起电池短路的问题。因此，研究发现，以LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂ 为代表的层状氧化镍钴锰系列材料（简称三元材料）较好的兼备了上述材料的优点，并在一定程度上弥补其不足，具有高比容量、循环性能稳定、成本相对较低、安全性能较好等特点，被认为是用于混合型动力电源的理想选择。但同时它也存在较低的电导率和容量衰减快、倍率性能不佳等缺点。

目前三元材料的制备方法主要有高温固相法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、模板法等。本发明使用模板法来制备颗粒均一的氧化镍钴锰锂材料，简化制备过程。模板法制备的材料能够控制材料的尺寸大小，解决了传统固相法粒度不均的问题，制备出的材料纯度高、粒径小，分布较窄且烧结性能好。

三元正极材料集合了LiNiO₂、LiCoO₂、LiMnO₂三种正极材料优点，被认为是最有潜力广泛应用的正极材料之一。氧化镍钴锰锂三元材料优异的性能得到国内外许多研究机构的关注，不仅在小型电子产品中被广泛使用，在大型汽车动力电池上也有较好的发展趋势，具有很好的应用前景。但同时它也存在较低的电导率和容量衰减快、倍率性能不佳等缺点，为了获得更加优异的三元正极材料，对镍钴锰酸锂进行掺杂和包覆。通过离子掺杂使晶格发生一定的畸变，产生一定的缺陷，提高电子电导率和离子扩散速率，以提高倍率性能和循环性能。

石墨烯作为二维碳纳米材料，由于其具有的二维单分子层的六角蜂窝状空穴结构及优异的物化性质，如高的比表面积、高的电子电导率、优越的力学性能和良好的化学稳定性等，而被广泛地应用于锂离子电池。近年来的不少研究表明石墨烯在复合正极材料可以形成导电网络提升其导电性，同时有助于缩短锂离子的扩散路径，使正极材料的大倍率充放电性能有较大的改善，这些对氧化镍钴锰锂而言相当重要。

发明内容

本发明针对三元层状正极材料LiNi_xCo_l-x-y-zMn_yAl_zO₂重复性差和倍率性能，提供一种工艺过程简单、安全性高、稳定性好的锂离子电池石墨烯复合三元正极材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种锂离子电池石墨烯复合三元正极材料，将铝元素进入氧化镍钴锰锂晶格内，取代部分位置上的Co³⁺，然后将铝掺杂氧化镍钴锰锂与石墨烯混合后经水热法制备获得。

本发明还提供了一种锂离子电池石墨烯复合三元正极材料的制备方法，包括以下步骤：