[发明专利]静电纺丝制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2纤维材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料及其制备技术领域，具体涉及一种静电纺丝技术制备LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂纤维材料的方法。

背景技术

LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂是一种新型锂离子电池正极材料。它具有理论容量高，结构稳定，循环性能良好，放电电压范围宽，价格低廉，对环境友好等优点，被认为是最有前途的锂离子电池正极材料，并有望用在以锂离子电池为动力的电动汽车上。

传统的制备方法主要有以下几种：高温固相合成法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等。然而这些方法都存在一些固有的缺点，如：合成温度高、合成周期长、控制条件苛刻、成本高以及合成材料的大电流放电能力差等缺点，这些都限制着Li_1/3Ni_1/3Co_1/3MnO₂的大规模产业化。

静电纺丝是一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，其原理是将纺丝液体从喷丝装置流出，在电压作用下克服喷丝液自身的表面张力和粘弹力而形成射流，随着溶剂的挥发和熔体的凝固，射流最终在接收装置上形成纤维。采用静电纺丝法制备纳米纤维正极材料，这种纳米纤维状正极材料不仅能增大活性物质的比表面积，提高利用率，增大电池比容量，还因其多孔和纤维相互连接形成互穿网络等结构特点，能加快离子、电子传导，使电池具有优异的循环性能及倍率性能。与其他制备方法相比，静电纺丝技术能够制备出更加满足锂离子动力电池电化学性能要求的正极材料，但目前将静电纺丝用于制备镍钴锰酸锂纳米纤维的技术还鲜有报道。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种新型的用静电纺丝法制备锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的技术方法，本发明所得产品具有比容量高，循环性能好等优点。

本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：

静电纺丝制备LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂纤维材料的方法，包括以下步骤：

(1)纺丝液的配置：量取25份去离子水于烧杯中，加入质量为水的10％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，然后分别加入一定量的锂源、镍源、钴源和锰源，使溶液中的阳离子Li元素的浓度为1.6mol/L，Ni、Co、Mn元素的浓度均为0.8mol/L；每次加入时确保前面所加物质完全溶解；持续搅拌8h后静置4h得纺丝液；

(2)静电纺丝：在温度为20-25℃，湿度≤30％的环境下进行静电纺丝，将上述制备好的纺丝液加入到注射器中，注射器针头接电源正极，滚筒接收装置接电源负极，注射器的喷丝头和滚筒接收装置的顶端在同一高度，在接受距离为25-50cm，电压为8-17kV，纺丝液推注速度为0.01-0.1ml/min，滚筒接受装置的转速为30-50r/min的条件下进行纺丝，纳米纤维材料均匀的缠绕在滚筒上，纺丝18h得到了纳米纤维薄膜；

(3)烧结：将纤维薄膜置于真空干燥箱中在90-120℃条件下真空干燥4-8h；将干燥后的纤维薄膜置于马弗炉中加热至450℃保温8h，最后在600-750℃范围内烧结6-18h得到LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂纳米纤维材料。

其中，所述镍源化合物为碳酸镍、乙酸镍和硝酸镍中的一种。

所述钴源化合物为钴酸镍、乙酸钴和硝酸钴中的一种。

所述锰源化合物为碳酸锰、乙酸锰和硝酸锰中的一种。

所述锂源化合物为碳酸锂、甲酸锂、氢氧化锂、乙酸锂和氧化锂中的一种。

在静电纺丝方法中，影响纤维成形的因素包括溶液性质、工艺条件、环境参数，其中，溶液性质是影响纤维形态和直径分布的主要因素，对材料的电化学性能有直接影响。本申请人经过不断实验摸索后，确定了上述技术方案中的实验参数，确定了聚乙烯吡咯烷酮的用量，可将溶液粘度调整至适宜的粘度，增加纺丝液的可纺性，有利于形成光滑的连续纤维。本发明通过溶液的方式纺丝，各组分在溶液中分布均匀，能使电极材料的电化学性能更稳定。