[发明专利]一种富锂/3D石墨烯复合正极材料

说明书

技术领域    

本发明属于电化学领域，具体涉及一种适用于锂离子电池的高容量富锂/3D石墨烯复合正极材料。

背景技术

目前，锂离子电池已广泛应用于各种数码电子器件中，未来在电动汽车和储能电站等领域有着广阔的应用前景。人们对下一代高性能锂离子电池提出了越来越高的要求，可归纳为“三高、两低”：高能量密度、高功率特性、高安全性能和低成本、低污染。在正极材料方面有层状LiMO₂（M=Mn、Ni、Co），如 LiCoO₂、LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂的放电比容量仅140 ~ 170 mAh·g^-1，而尖晶石 LiMn₂O₄和橄榄石 LiFeP₄的理论容量分别只有 148 mAh·g^-1和 170 mAh·g^-1。与上述几种正极材料相比，富锂材料Li_1+xM_1-x O₂的理论容量可超过 250 mAh·g^-1，将成为下一代锂离子电池的重要候选正极材料之一。

富锂材料主要是Li₂MnO₃与层状材料LiMO₂(M=Cr，Co，Ni_1/2Mn_1/2，Mn_1/3Ni_1/3Co_1/3，… )形成的固溶体，是由层状 Li₂MnO₃与LiMO₂按不同比例形成的固溶体。该材料具有α-NaFeO₂型层状结构，属于六方晶系R-3m空间群。理论上，锂离子占据3a位，过渡金属离子占据3b位，氧离子占据6c位。

目前，锰基固溶体材料的制备大多数采用共沉淀法，也有部分研究者采用sol-gel 法、固相法、燃烧法和水热法等工艺来制备锰基固溶体材料，但所获得材料的放电比容量性能均偏低。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明目的在于提供一种适用于锂离子电池的高容量富锂/3D石墨烯复合正极材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种富锂/3D石墨烯复合正极材料，该复合正极材料的分子式为Li_1+x[Mn_1-y-z(Co_yNi_z )]_1-xO₂/3D石墨烯，其中，0.02≤x≤0.6，0＜y＜1，0＜z＜1，且0＜1-y-z＜1；其通过下述步骤获得：

1）按Mn、Ni、Co、尿素的摩尔比为1-y-z : z : y : 5～40将锰化合物、镍化合物、钴化合物和尿素溶于水，然后加入到分散均匀的氧化石墨烯或3D石墨烯水溶液中，混匀形成前驱体溶液；

2）加热前驱体溶液，并在升温过程中通过加入有机溶剂来调节温度至95～200℃回流反应1～50 h，反应结束后冷却、陈化，抽滤、洗涤至pH为中性，得前驱体；

3）按照Li与过渡金属Mn、Ni和Co摩尔和之比为（1+ x）:（1-x）的化学计量比，将锂盐与前躯体混匀，经过预烧结和煅烧，即得。

具体的，步骤1）中所述镍化合物选自醋酸镍、硝酸镍、氯化镍或硫酸镍；所述钴化合物选自醋酸钴、硝酸钴、氯化钴或硫酸钴；所述锰化合物选自醋酸锰、硝酸锰、氯化锰或硫酸锰。

步骤2）中所述有机溶剂选自二甲基亚砜（DMSO）或N-甲基吡咯烷酮（NMP）等。有机溶剂的添加量一般是整个回流体系体积的60－90%。

步骤3）中所述锂盐选自乙酸锂、硝酸锂、氢氧化锂或碳酸锂。

步骤3）中所述预烧结是在氩气或氮气氛围下进行，预烧温度为300～600℃，预烧时间为1～15h；所述煅烧温度为600～1200℃，煅烧时间为1～48h。

优选的，步骤2）中所述的回流反应是在110～150 ℃反应8～25 h。

优选的，步骤3）中所述预烧结温度为300～500℃；所述煅烧温度为800～1000℃。