[发明专利]一种锂离子电池活性电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池活性电极材料的制备方法，属于化学工程以及能源化工领域。

背景技术

随着人类对能源需求的加剧和环境问题的日益突出，锂离子电池具有广泛的应用市场。锂离子电池构造主要由电极、隔膜以及电解液组成。其中，锂离子电池的发展很大程度上取决于其电极活性材料性能的提高。目前，锂离子电池在手机和笔记本电脑等诸多方面有着广泛应用，但是将锂离子电池扩展到动力汽车和混合动力汽车等方面遇到重要的难题，其能量密度和功率密度急需进一步提高。

锂离子电池的负极活性材料以石墨为主，达到市场占有率的52％以上，但其容量较低。因此人们开发了如下几类负极活性材料：硅类负极活性材料，其理论容量在4200mAh/g，但其稳定性极难控制。应用气相化学沉积的方法，可以做到较稳定的硅纳米线负极活性材料，但在商业应用的成本上仍难以推广(C.K.Chan，et al，Nat Nano，2008，3，31-35.)。锡类合金可达800～900mAh/g的容量，但其高倍率充放电性能目前一直没有突破。而金属锂片作为负极活性材料，存在很大的安全和稳定问题。金属氧化物，如Fe₃O₄，Fe₂O₃，SnO₂等，作为新的负极活性材料具有很高的理论容量。同时，由于材料本身无毒，廉价，且原料丰富而备受关注。但是金属氧化物负极活性材料在锂离子嵌入和脱出活性材料的过程中也存在巨大的体积膨胀，这导致其电化学性能的快速损失。

另一方面，几乎所有的锂离子电池正极活性材料(如LiCoO₂，LiMn₂O₄，LiNi_0.5Mn_1.5O₄，LiFePO₄，LiMnPO₄，Li₃V₂(PO₄)₃)的快速充放电能力都很差，这和正极活性材料自身的导电性差有很大关系。为了提高正极活性材料的大电流充放电性能，和锂离子电池负极活性材料设计类似，大量的工作围绕如下两个方面进行：改善正极活性材料的导电性能和减小正极活性材料的尺寸。为了改善导电性性能，对正极活性材料进行各种碳包覆的方法是通用的思路，可在一定程度上改善锂离子电池正极活性材料的可逆容量，但倍率性能和循环稳定性能仍受限制。

最近，基于单壁碳纳米管网络和石墨烯纳米片包覆的方法对锂离子电池的电极倍率性能有了很大提高(C.Ban，et al，Adv.Mater.，2010，22，E145-E149；G.Zhou，et al，Chem.Mater.，2010，22，5306-5313.)，但其制备过程距离商业应用还有很大限制。此外，利用纳米材料制备技术降低锂离子电池电极活性材料的晶粒尺寸，可以减小锂离子在活性物质里面的扩散距离。但是，这对电极材料的振实密度和能量密度带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池活性电极材料的制备方法，该方法通过对现有的锂离子电池电极材料进行三维尺度的结构设计，用简便的喷雾造粒方法和进一步的热处理实现导电的碳材料穿插在整个电极活性材料中，以实现锂离子电池的大电流充放电性能和长的使用寿命，从而有效地改善目前的锂离子电池的性能。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池活性电极材料的制备方法，其特征在于该制备方法包含如下步骤：

1)采用水热或共沉淀的方法，制备锂离子电池电极材料的纳米晶粒，将所得到的纳米晶粒配制成质量百分含量在0.1～20％的水溶液；

2)向所述水溶液中加入质量百分含量为0.05～10％的碳源，以及质量百分含量为0.05～10％的表面活性剂，形成均匀稳定的混合物溶液；

3)通过喷雾造粒的方法，使混合物溶液在200～900℃的温度条件下形成球状颗粒；

4)将所得球形颗粒在400～900℃的氮气中热处理，形成锂离子电池活性电极材料。