[发明专利]锂离子电池正极活性材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及锂离子电池正极活性材料及其制备方法和高倍率锂离子电池和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因具有高比能量等优点，已被广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机和数码相机等小功率电子器具。随着混合动力车和各种助推器等的发展，各种大功率电子器具的出现对电池产品性能提出了更高的要求，即作为大功率电子器具电源的锂离子电池被要求具有高倍率充放电性能，能够在短时间内充放其额定容量时所需要的电流值(在数据值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示)。高倍率锂离子电池有时甚至被要求可在10C以上倍率放电。但一般常规设计的商品锂离子电池在2C倍率放电时，只能放出其标称容量的80％左右，而根本不能在10C倍率放电。因此，开发一种能用于上述大功率电子器具的高倍率锂离子电池显得极为重要。

锂离子电池由正极板、负极板、电解液以及介于正负极板间防止其短路的隔膜组成，通过Li⁺嵌入和脱出正负电极材料进行能量交换。锂离子电池的充放电倍率与电池的正负极材料和制备工艺有关。常规的锂离子电池的正极活性材料(例如，磷酸铁锂和钴酸锂等)是将锂存储在正极材料的体相中，Li⁺需要从正极材料表面经过正极材料体相扩散到正极材料内部，导致内阻过大，因而所需充放电时间较长。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种锂离子电池正极活性材料及其制备方法和应用。该锂离子电池正极活性材料内阻较小，能够在大电流下快速放电，从而满足混合动力车和各种助推器等大功率电子器具的发展需求。该锂离子电池正极活性材料的制备方法简单易行，适于工业化生产。本发明同时旨在提供上述锂离子电池正极活性材料在高倍率锂离子电池制备中的应用。

第一方面，本发明提供了一种锂离子电池正极活性材料，所述正极活性材料为表面经过修饰后包含有羟基锂的碳材料。

优选地，碳材料选自活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种，比表面积为100～3000m²/g。

该锂离子电池正极活性材料中Li⁺储存在碳材料的表面，材料的活性位点都在表面，Li⁺不需要在从表面扩散到材料体相内部进行反应，从而缩短了充放电时间。本发明锂离子电池正极活性材料内阻较小，能够在大电流下快速放电，提高了锂离子电池的倍率性，能够满足混合动力车和各种助推器等大功率电子器具的发展需求。

第二方面，本发明提供了一种锂离子电池正极活性材料的制备方法，包括以下步骤：将碳材料与氧化剂混合，在油浴锅中于80～140℃温度下反应0.5～5h，得到氧化后的碳材料，再将氧化后的碳材料与锂盐混合，干燥，得到表面经过修饰后包含有羟基锂的碳材料作为锂离子电池正极活性材料。

优选地，碳材料选自活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种，比表面积为100～3000m²/g。

优选地，氧化剂选自68％硝酸、68％硝酸与98％硫酸按1∶3体积比混合的溶液、20％高锰酸钾溶液中的一种(按质量分数计)。优选地，氧化剂的用量为1g碳材料加入20～80ml的氧化剂溶液。

优选地，在油浴锅中反应的温度为80～100℃，反应时间为3～5小时。

氧化的结果还使得碳碳双键被氧化成羟基、羰基等含氧官能团，氧化后的碳材料表面含有大量的极性基团，大量含氧基团的存在赋予碳材料良好的亲水性、吸附性和离子交换性。

氧化后的碳材料与锂盐混合，干燥。优选地，氧化后的碳材料与锂盐的质量比为1∶2。优选地，氧化后的碳材料与过量的锂盐混合后在80℃真空干燥。该过程中，碳材料表面的羟基Li⁺连接至碳材料的表面。碳材料的表面经过修饰后包含有大量的羟基锂，即为表面包含有羟基锂的碳材料。

优选地，锂盐选自氢氧化锂、碳酸锂和醋酸锂中的一种或几种。

该锂离子电池正极活性材料的制备方法通过将Li⁺储存在活性材料的表面，材料的活性位点都在表面，Li⁺不需要在从表面扩散到材料体相内部进行反应，从而缩短了充放电时间。该制备方法简单易行，适于工业化生产。

第三方面，本发明提供了一种锂离子电池，锂离子电池正极活性材料为表面经过修饰后包含有羟基锂的碳材料。

本发明锂离子电池包括正极板、负极板、位于正极板和负极板之间的隔膜和电解液，其中，正极板上涂布的活性材料为表面经过修饰后包含有羟基锂的碳材料。