[发明专利]一种锂离子电池复合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复合正极材料，其表面包覆有铈、锆掺杂的介孔磷酸铝和石墨烯层。本发明还公开了上述材料的制备方法，包括以下步骤：将质量百分含量为52％～54％的磷酸加入异丙醇铝乙醇溶液中，加入锆和铈的浓度均为0.1mol/L溶液和表面活性剂，混均，用碱性络合剂将PH值调至8.0‑8.5，制成溶胶；溶胶水热反应后得到沉淀，沉淀干燥后450‑650℃保温5～7h，得到铈锆掺杂的介孔磷酸铝粉体。将锂离子电池正极材料、铈锆掺杂的介孔磷酸铝粉体、石墨烯、聚乙二醇、N‑甲基吡咯烷酮的以质量比40～100：0.5～10：0.1～10：0.1～10：50～200混匀后于氮气中450‑550℃保温3‑5小时。本发明的锂离子电池复合材料表面包覆了有铈、锆掺杂的介孔磷酸铝，具备良好的导电性、稳定性和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法。

背景技术

自从1991年日本Sony公司首先成功研制并实现锂离子电池的商品化以来，锂离子电池越来越受到人们的关注。锂离子电池因其具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电小等突出优点，而广泛应用于消费类电子产品、电动汽车和储能器件等领域，这要求其具有较高的比容量和能量密度、良好的循环稳定性和高安全性。目前已经市场化应用的锂离子电池正极材料主要有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元正极材料。钴酸锂虽容量高，循环寿命长，但是由于钴资源匮乏其有毒，限制了其进一步的发展；锰酸锂等尖晶石型材料容量较低，尚未获得重大突破；磷酸铁锂能量密度低、导电性差，在小型汽车的应用受限；锰酸锂正极材料尚存在首次库伦效率低、循环性能差等问题，限制了材料的实际应用及其大规模生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种导电性能良好、Li⁺的扩散速率快、循环性能好的锂离子电池复合正极材料。

本发明的技术方案为：一种锂离子电池复合正极材料，其表面包覆有铈、锆掺杂的介孔磷酸铝和石墨烯层。

本发明的锂离子电池复合正极材料，其表面包覆有铈、锆掺杂的介孔磷酸铝和石墨烯层，石墨烯是导电层，可以增加正极材料的导电性。铈元素或锆元素的掺杂能够稳定磷酸铝的结构，使介孔磷酸铝的结构更加稳定，这样的介孔磷酸铝包覆层在锂离子电池的充放电过程中不容易出现结构的畸变而导致孔隙的变形或消失，始终保持良好的介孔结构。而具有介孔结构的磷酸铝具有较多的孔、较大的比表面积、相对大的孔径和规整的孔道结构，一方面这种包覆层覆盖在锂离子电池正极材料的表面，将锂离子电池正极材料和电解液隔开，避免了电池在充放电过程中正极材料和电解液之间直接接触发生副反应而导致的正极材料结构坍塌；另一方面，多孔结构和较大比表面积的介孔结构的磷酸铝为电池在充放电过程中锂离子的脱嵌提供了有效的扩散路径；尤其是在本发明中的包履层中具有导电性的石墨烯与铈、锆掺杂的介孔磷酸铝均匀分布，这使得正极材料在为锂离子提供多孔的扩散通道的同时，又具备了良好的电子导电性，有利于提高正极材料的稳定性和循环性能。

优选地，所述铈、锆掺杂的介孔磷酸铝和石墨烯层的质量占所述锂离子电池复合材料总质量的0.6％-25.0％。

本发明的另一个目的是提供上述锂离子电池复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将异丙醇铝溶于无水乙醇，所述异丙醇铝与所述无水乙醇质量比为1：5～10；

步骤二：配制锆盐、铈盐混合盐水溶液，锆和铈的浓度均为0.1mol/L；将质量百分含量为52％～54％的磷酸水溶液搅拌下滴加入步骤一所配的异丙醇铝乙醇溶液中，同时加入上述配制的锆盐和铈盐混合水溶液，再加入表面活性剂，混均，用碱性络合剂将PH值调至8.0-8.5，制成溶胶；其中，所述异丙醇铝、铈、锆、磷酸、表面活性剂的摩尔比为1～2：0.5～1：0.5～1：1～2：0.1～0.25；

步骤三：将所述溶胶置于水热反应釜中，160～200℃反应12～24h，得到铈、锆掺杂的介孔磷酸铝沉淀；将沉淀收集、干燥后，于450-650℃保温5～7h，得到铈锆掺杂的介孔磷酸铝粉体；