[发明专利]一种三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料的结构设计和制备方法，该材料由厚度均匀的二维钴酸锂薄膜致密卷叠形成；所述二维钴酸锂薄膜被构造为具有光滑的表面，或者被构造为具有纳米至微米周期脊线微结构的表面，或者被构造为具有纳米至微米周期脊线和周期纳米孔隙微结构的表面。本发明的三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料具有比表面积大、微结构形貌规则、尺寸易于调控等特点，是一种较好的锂电池正极材料。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的结构设计和制备方法，尤其涉及一种具有微结构的锂离子电池钴酸锂正极材料及其制备方法。

背景技术

三维微纳结构是未来锂离子电池发展的重要方向。由于三维微纳结构相比于块体结构具有更高的比表面积，结构之间具有丰富的孔径，三维微纳结构电极表现出优异的电化学性能。使用三维微纳结构电极进行锂电池组装，有利于缩减电荷在电极中的迁移路程，从而提高电池的倍率性能。同时，由于锂离子在电极材料中具有有限的嵌入和脱嵌深度，丰富的孔径有利于电解液的浸润，从而有效利用活性材料，达到较高的比容量。并且，三维微纳结构在锂电池使用过程中，相比于块体材料，能够更灵活的适应电极材料电化学反应而导致的体积变化，从而使得结构保持稳定，从而提高电池的安全性能。因此，通过控制电极材料的形貌结构，可以有效的提高电池的倍率性能、比容量和安全性能。然而目前的三维微纳结构通常有序度较低，比表面积较小，密度较大，常见三维微纳材料由碳或氧化物等构成，电流集流效果较差。因此，迫切需要提供一种能有效控制微纳结构的锂离子电池正极材料的制备方法。

由于钴酸锂具有较高的充放电平台、高比容量以及良好的循环性能，成为了常用的锂电池正极材料。目前合成这一材料的方法有固相反应法、溶胶凝胶法、水热法等，但这些合成方法制得的钴酸锂形貌通常为粉末颗粒状，且粒径分布难以控制均匀。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可以有效调控微纳结构的三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料及其制备方法，该三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料为三维立体结构，具体由站立的、厚度分布均匀的二维薄膜组成，二维薄膜在三维结构中存在致密卷叠的效果。三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料还可根据电源信号不同分别呈现具有光滑的表面、周期脊线的表面、周期脊线和周期孔隙的表面等三种特征，构成的三维微纳结构具有比表面积大、形貌规则、尺寸易于调控等特点，是一种较好的锂电池正极材料。

本发明的技术方案如下：

方案一：一种具有三维立体结构的致密卷叠钴酸锂薄膜材料，由站立的、厚度均匀的二维钴酸锂薄膜卷叠形成；所述二维钴酸锂薄膜被构造为具有光滑的表面，或者被构造为具有周期脊线结构的表面，或者被构造为具有周期脊线和周期孔隙结构的表面。

作为一种优选方案，所述二维钴酸锂薄膜的厚度为50nm～1μm；相邻二维钴酸锂薄膜间距为0.1μm～100μm，优选0.3μm～10μm。

作为一种优选方案，所述三维立体结构的高度为10μm～5mm，优选50μm～2mm。

方案二：一种锂离子电池，其正极由方案一及其优选方案任意一项所述的三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料制成。

方案三：一种制备方案一及其优选方案任意一项所述的三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料的方法，主要包括以下步骤：

S1、提供一种电解池；调节电解池内电解液的温度处于凝固点附近，使电解液凝结，然后通过电源信号驱动电解池内阴阳电极之间发生电化学沉积，沉积物在液态电解液中自阴极向阳极进行电化学生长，生长结束后制得金属钴的三维致密卷叠薄膜材料；所述电解池内的电解液为钴盐，电极的阳极材料为金属钴；所述电源信号为恒定信号或者周期信号；

S2、将所述金属钴的三维致密卷叠薄膜材料作为前驱体进行高温氧化，制备三维致密卷叠四氧化三钴薄膜材料；

S3、将所述四氧化三钴薄膜材料作为前驱体进行高温锂化，制得三维致密卷叠钴酸锂薄膜材料。