[发明专利]一种石墨烯包覆的锰基固溶体正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种石墨烯包覆的锰基固溶体正极材料的制备方法。

背景技术

随着人们对能源需求的日益增长和对社会与经济可持续发展重要性认识的不断深化，以绿色环保和高效高能为特点的锂离子电池越来越受到人们的重视。 目前锂离子电池负极材料的比容量通常在300 mAh/g以上，而正极材料的比容量则始终徘徊在150 mAh/g左右，富锂层状结构正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Ni，Co，Mn中至少一种)的理论比容量超过300 mAh/g，实际可利用容量大于200 mAh/g，由于材料中使用了大量的Mn元素，与LiCoO₂和三元材料Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂相比，不仅价格低，而且安全性好、对环境友好，因此成为发展能量密度大于300 Wh/kg锂离子电池的重要候选正极材料，近年来受到人们的广泛关注。

但是富锂层状结构正极材料在首次充电结束后净脱出的Li₂O在随后的放电过程中不能回到体相材料的晶格中，导致首次不可逆的容量损失，而且其较差的倍率性能严重阻碍了其商业化进程。

碳材料逐渐的被应用在正极材料中以提高正极材料的导电性和倍率性能。其中石墨烯被认为是21世纪最有前途的纳米材料。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，具有许多独特的物理化学性质，如比表面积达2630 m²/g、断裂强度高达/125 GPa、载流子迁移率达200000 cm²/V·s、热导率达5000 W/m·k等。作为复合材料的添加相时，不仅可以提高复合材料的力学性能，同时还能赋予复合材料抗静电、导电、吸波等一些特殊的性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种石墨烯包覆的锰基固溶体正极材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种石墨烯包覆的锰基固溶体正极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）按分子式Li_1+x[M_yMn_1-x-y]O₂ (M＝Ni，Co，Mn中至少一种) 中Ni，Co，Mn的摩尔比配制镍钴锰的混合金属盐溶液；

（2）配制和上述混合金属盐溶液中总金属离子相同浓度的草酸或草酸盐溶液；

（3）用蠕动泵将混合金属盐溶液和含草酸根的草酸或草酸盐溶液连续输入到反应烧瓶中，流量为5- 20mL/min，反应器的水浴温度为53–58 °C，搅拌速度为500–650 rmp;

（4）反应完后，将沉淀进行离心分离、用蒸馏水多次洗涤除去残余离子后50-100 °C干燥，得到前驱体备用；

（5）将上述前驱体与Li₂CO₃或LiOH混合研末均匀后在马氟炉中分步煅烧，第一步在400–600 °C反应3-6 h，第二步在800–1000 °C反应10–25h，升温速率为3-10°C/min，得到富锂锰基固溶体；

（6）将上述富锂锰基固溶体和石墨烯在水溶液中混合；

（7）混合后在烘箱中干燥，然后在200–380 °C空气气氛下烧结即得到石墨烯包覆的锰基固溶体正极材料。

步骤（1）所述的金属盐为硝酸盐、硫酸盐或醋酸盐。

步骤（1）中所述的金属盐溶液中的总金属离子浓度为0.2–3 mol/L。

步骤（6）中所述的石墨烯的百分比为2%–10%。

步骤（7）中所述的烧结时间为1–5h。 

本发明的有益效果：本发明采用草酸根共沉淀法制备固溶体正极材料，然后成功的用石墨烯进行包覆，草酸根可同时起到络合剂和沉淀剂的双重作用，保证了镍、钴、锰三种离子的均匀共沉淀，还可作为燃料，起到节能的作用。石墨烯具有较高的电子电导率和离子电导率，用石墨烯进行包覆一方面有利于改善固溶体材料的导电性提高其倍率性能，另一方面能稳定固溶体材料的结构骨架提高其电化学循环稳定性。

附图说明