[发明专利]一种少层石墨烯改性富锂锰基正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种少层石墨烯改性富锂锰基正极材料的制备方法，包括：将可膨胀石墨微波加热得到膨胀石墨；将前驱体材料、膨胀石墨溶于有机溶剂中，经过超声剥离，洗涤烘干，形成改性前驱体；将改性前驱体与锂源混合后进行烧结得到少层石墨烯改性富锂锰基正极材料。本发明的工艺流程简便、原料成本低廉、条件易于控制和操作，易于规模化生产，其制备的改性富锂锰基材料不仅具有优异的倍率性能，而且还有高比容量及稳定的循环性能。

技术领域

本专利属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种少层石墨烯改性富锂锰基正极材料及其制备方法。

背景技术

新能源汽车及新一代电子产品对锂离子电池的性能提出了更高要求，即锂离子电池在提升高能量密度的同时，还需具有高功率和长循环寿命的特性。锂离子电池的正极材料是实现其高性能的关键因素之一。

富锂锰基正极材料因其超高比容量(＞250mAh·g^－1)、低成本和高安全性，受到了广泛的关注。尽管高比容量的富锂锰基正极材料有着巨大潜力，但是富锂锰基正极材料还存在着首次库伦效率低、倍率性能差等问题，这些问题制约了富锂锰基正极材料在锂离子电池中的实际应用。

针对富锂锰基正极材料倍率性能差的问题，研究者们做了大量的改性研究以改善材料的性能，主要包括表面包覆修饰、材料掺杂复合与材料纳米化等手段。其中，碳材料、纳米碳材料和导电聚合物等电子良导体用于富锂锰基正极材料的包覆改性，可有效地改善材料的倍率性能差的问题。但一般碳材料包覆改性所获得的碳导电层为无定形碳，较石墨化碳(石墨烯或碳纳米管)电导性差，导电率提升有限；而导电聚合物用于富锂锰基正极材料的包覆改性，会降低材料的质量能量密度，影响了它的实际应用。

石墨烯作为新型的纳米碳材料，兼有石墨和碳纳米管等碳基材料的一些优良性质，具有优越的电子导电性和化学稳定性，可有效地解决体积比容量、能量密度和大倍率充放电能力低的问题。目前主要采用两种方法制备石墨烯复合正极材料，一种是直接混合，一种是氧化石墨烯法。第一种方法价格昂贵，且石墨烯难以分散均匀；第二种方法中氧化石墨烯虽然可以实现均匀包覆电极材料，但是其表面过多的缺陷导致其电性能不佳，还需要额外还原方法得到含有一定缺陷的石墨烯。同时，氧化石墨烯的制备成本较高，在现阶段工业化应用存在一定难度。

发明内容

本发明提供了一种少层石墨烯改性富锂锰基正极材料的制备方法，制备具有较高倍率放电比容量、优异循环性能的锂离子电池正极材料。

本发明为一种少层石墨烯改性富锂锰基正极材料及其制备方法，其特征在于，该材料的分子式为xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂，其中，M是Ni、Co、Mn、Cr、Mg、Al、Fe、Ru中的一种或几种的组合，0x1。其制备方法包括以下步骤：

(1)前驱体制备：在非还原气氛中，将金属盐溶液与沉淀剂和络合剂同时滴加入反应容器内，在30～70℃、pH＝7～10之间的条件下进行恒温搅拌，反应完全后沉淀在30～70℃继续陈化4～24h，所得沉淀采用去离子水过滤洗涤数次，在105℃下烘干，得到前驱体；

(2)取可膨胀石墨置于微波炉中进行膨胀，功率10kw，膨胀时间为10～60s，得到膨胀石墨A。

(3)将上述步骤(1)中所述前驱体和步骤(2)中所述膨胀石墨A溶于功能有机溶剂中，滴加一定量有机偶联剂，搅拌预分散，形成混合溶剂B。其中，10～300mL功能有机溶剂加入0.1g膨胀石墨A；膨胀石墨A与前驱体材料的质量比为0.1～5％；有机偶联剂与膨胀石墨A的质量比为1-50％；

(4)将步骤(3)中得到的混合溶剂B超声剥离10-120min，辅以机械搅拌，搅拌速度为100-1000r/min，形成少层石墨烯改性前驱体悬浊液，常温搅拌0.5h～2h，经洗涤数次后烘干，得到改性前驱体。