[发明专利]聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料及其制备方法，其技术方案是：按浓度为0.2～0.4kg/m³，将离子导电聚合物加入丙酮中，得到到溶液Ⅰ。按离子导电聚合物与镍钴锰正极材料的质量比为1∶(100～110)，将镍钴锰正极材料加入到溶液Ⅰ中，搅拌，干燥，得到聚合物包覆的镍钴锰正极材料(记为：p‑NCM)。按浓度为2～5kg/m³，将酸化后的氮掺杂碳纳米管加入叔丁醇中，得到溶液Ⅱ。按浓度为40～45kg/m³，向溶液Ⅱ中加入p‑NCM，得到溶液Ⅲ。将溶液Ⅲ滴加到液氮中，得到球形珠子，冷冻干燥，制得聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料。本发明工艺简单和易于工业化生产，所制制品的倍率性能、结构稳定性和循环性能优异。

技术领域

本发明属于镍钴锰正极材料技术领域。特别涉及一种聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料及其制备方法。

背景技术

锂电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂和三元材料等产品。磷酸铁锂的安全性和循环寿命好，但振实密度小、电池的倍率性能特别是低温倍率性能较差；锰酸锂具备低成本与高倍率性能的优势，但是高温循环与储存性能差；钴酸锂结构稳定性佳、能量密度高，但是价格昂贵、容量有限、资源紧缺和安全性差。而层状镍钴锰三元材料通过Ni-Co-Mn的协同作用，结合了三种材料的优点：LiNiO₂的高比容量，LiCoO₂的良好循环性能，LiMnO₂的结构稳定性和高安全性，具有成本低、放电比容量大的优点，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、国防技术等领域，是一种极具发展前景的正极材料。但是高镍三元材料仍存在一些缺点：电导率低；Li/Ni混排导致倍率性能较差；在高压下循环易发生相变造成循环稳定性不好；高脱锂状态下Ni⁴⁺的强氧化性趋于还原生成Ni³⁺而释放O₂造成热稳定性不好。

目前，主要通过离子掺杂和表面包覆来改善三元正极材料的导电性和稳定性，从而提高电化学性能。电极材料界面对材料性能有着十分重要的影响，故可通过表面包覆来改进材料的倍率性能、循环性能以及热稳定性能。金属氧化物涂层虽可抵御HF腐蚀和降低表面阻抗，但无法改善材料的导电性能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种合成工艺简单和易于工业化生产的聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料的制备方法，用该方法制备的聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料的包覆物可调、倍率性能和循环性能良好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、按浓度为0.2～0.4kg/m³，将离子导电聚合物加入丙酮中，搅拌至溶解，得到溶液Ⅰ。

步骤二、按所述离子导电聚合物与镍钴锰正极材料的质量比为1∶(100～110)，将所述镍钴锰正极材料加入到所述溶液Ⅰ中，在100～150转/分钟和室温条件下搅拌4～6h，再于60～80℃水浴条件下继续搅拌至所述丙酮挥发完，然后在80～100℃和200～500Pa条件下干燥24～48h，得到聚合物包覆的镍钴锰正极材料。所述聚合物包覆的镍钴锰正极材料记为：p-NCM。

步骤三、按浓度为2～5kg/m³，将酸化后的氮掺杂碳纳米管加入叔丁醇中，再于转速为150～200转/分钟的条件下搅拌1～2h，得到溶液Ⅱ；然后按浓度为40～45kg/m³，向所述溶液Ⅱ中加入所述p-NCM，搅拌0.5～1h，得到溶液Ⅲ。

步骤四、将所述溶液Ⅲ滴加到液氮中，得到球形珠子；再将所述球形珠子移至冷冻干燥机中，于-65～-60℃和90～110Pa条件下干燥40～48h，制得聚合物与氮掺杂碳纳米管共改性镍钴锰正极材料。

所述离子导电聚合物为聚乙二醇或为聚碳酸亚丙酯。