[发明专利]一种导电网格的合成方法

说明书

一种富锂Fe‑Mn基正极材料原位复合氧化石墨烯导电网格的合成方法，属于锂离子电池正极材料技术领域。主要通过原位的方法在合成富锂Fe‑Mn基正极材料时将3D导电网格材料‑氧化石墨烯一并加入，采用这种较为简单实用的方法合成出了电化学性能优异的锂离子电池富锂Fe‑Mn基正极材料/氧化石墨烯复合材料，该合成方法只需在空气气氛下一次煅烧形成，简化了反应步骤，节约了成本，较适合进行大规模生产。通过这种原位复合，从微纳结构上对富锂Fe‑Mn基正极材料进行了结构优化，提高了材料的导电率，显著改善了富锂Fe‑Mn基正极材料的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯作为导电网格与锂离子电池富锂Fe-Mn基正极材料原位可控复合的方法，属于锂离子电池正极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等突出优势，已经取得了飞速的发展，成为便携式电子产品电能储存的主要供应者，并逐步进入新能源汽车的发展轨道。

锂离子电池的容量主要取决于正极材料的容量，因此开发出高性能、低成本、绿色环保无污染的正极材料就显得尤为重要。相比已商品化的LiCoO₂，LiFePO₄等正极材料，富锂层状正极材料具有充电电压高(可以充电至4.8V)，比容量大等优点(理论比容量250mAh/g)(参见文献：Journal of the American Chemical Society，2011，133(12)：4404-4419)，其中的富锂Fe-Mn基正极材料(1-x)Li₂MnO₃·xLiFeO₂还有价格低廉、储量丰富，环境友好等优点，所以是一种非常具有应用潜力的正极材料。

尽管富锂Fe-Mn正极材料有较高的理论比容量，但是由于材料的本身电导率低，离子导电性差，因此材料的倍率性能和循环稳定性较差，制约了其进一步发展。针对以上问题，科研工作者主要从以下三方面对材料进行改性研究：(1)材料纳米化(2)材料体相掺杂(3)材料表面包覆修饰。将材料纳米化可以一定程度提高材料性能，但不利于大规模生产及实际应用。对材料进行体相掺杂只对材料本身导电性有所改善，但很难抑制电极材料与电解液所发生的副反应。材料表面包覆修饰可以抑制材料与电解液的副反应，但所用材料一般为非电化学活性物质，若包覆量较小则修饰效果不明显，包覆量较大则包覆层较厚会阻碍Li⁺的扩散，使材料性能进一步降低。因此以上改性方法的效果均不是太好。

石墨烯是以2D碳结构为基础组成的具有优异导电、导热性能的碳材料，是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料。由于具备以上优异特点，石墨烯成了材料研究领域的热点。氧化石墨烯也具有稳定性好，电化学窗口较宽、比表面积较大等优点，因此能很好地用于对锂离子电池正极材料进行复合，从而在微纳米结构上对富锂Fe-Mn基正极材料进行改性。目前针对富锂正极材料进行石墨烯改性的研究主要针对的是富锂Ni-Mn基正极材料，由于制备富锂Ni-Mn基正极材料时需在空气气氛下高温长时间煅烧而此过程会对石墨烯造成较大破坏，因此需要先将富锂Ni-Mn基正极材料合成出来再与石墨烯进行复合。而富锂Fe-Mn基正极材料的合成只需要在较低温度下经短时间煅烧即可，因此富锂Fe-Mn基正极材料较适合进行氧化石墨烯复合材料的原位合成。

针对以上情况本发明提供一种新的氧化石墨烯复合富锂Fe-Mn基正极材料作为锂离子电池正极材料的原位合成方法。该方法原料廉价易得，合成条件温和，操作简单，特别是可以原位生成石墨烯3D导电网格，煅烧温度属于中低温范围且煅烧过程中不需要惰性气氛保护，合成出的富锂Fe-Mn基正极材料一次颗粒尺寸小于100nm，且富锂Fe-Mn基正极材料均匀地分布在石墨烯3D导电网格上，从而在微纳结构上对富锂Fe-Mn基正极材料进行调控，并且同时材料表面3D碳导电网格的构筑提高了材料的导电性使材料的电化学性能特别是倍率性能得到了极大提高。在1000mA/g电流密度下，放电容量仍可以保持在100mAh/g以上。

发明内容