[发明专利]一种石墨烯改性镍锰酸锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯改性镍锰酸锂的制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池正朝着高能量密度、高功率密度和大型化方面发展，关键材料的研发面临着新的挑战。电池容量、倍率性能、电池稳定性是新型锂离子电池材料设计和制备时需要重点攻克的难题。对锂离子电池正极材料来说，容量高的材料电化学活性物种所占比重大，稳定性差；而稳定性高的材料，由于电化学隋性物种所占比重较大，容量偏低。随着动力电池的发展，又要求相应的材料具备足够的倍率放电能力，因此如何优化材料的综合性能，是设计新材料的关键。

现有技术中，尖晶石型的锂离子电池正极材料锰酸锂LiMn₂O₄充放电比容量高，表现出了优良的电化学性能，逐渐成为当今正极材料研究的一个热点，但现有技术中的尖晶石型锰酸锂在深度放电过程中由立方相转变为四方相，在该相变过程中，晶胞单元的体积增大，使容量衰减（Jahn-Teller effect），所以它只能在4V区域进行充放电并伴随着明显的能量损失，由此使得利用该材料制得的锂离子电池充放电性能不高，影响了锂离子电池的整体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯改性镍锰酸锂的制备方法，该方法工艺过程简单、生产成本低，增加了锂离子电池正极材料的导电性，将其用于锂离子电池，能够有效改善电池在常温环境及高温环境下的倍率充放电性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种石墨烯改性镍锰酸锂的制备方法，所述制备方法包括：

利用可溶性锂盐、锰盐、镍盐、络合剂和少量的氨水，采用溶胶-凝胶法，制备出镍锰酸锂复合氧化物；

以鳞片状石墨为原料采用Hummers法制备氧化石墨，再对所述氧化石墨进行剥层，在化学还原的同时利用甲基蓝对所述氧化石墨进行功能化，得到亲水改性的石墨烯片；

利用所得到的石墨烯片修饰所制得的镍锰酸锂复合氧化物的颗粒表面，得到石墨烯改性后的镍锰酸锂。

所述利用可溶性锂盐、锰盐、镍盐、络合剂和少量的氨水，采用溶胶-凝胶法，制备出镍锰酸锂复合氧化物，具体包括：

将可溶性锂盐、可溶性镍盐、可溶性锰盐，按摩尔比为x∶0.5∶1.5的用量混合溶解在去离子水中得到混合溶液A，其中1<x≤1.1，再将络合剂溶解于去离子水中得到混合溶液B，所述络合剂的摩尔量为x～3x，将所述混合溶液A缓慢滴加到所述混合溶液B中，并调节pH值在6～8；

将所得到的混合溶液在50～95℃下不断搅拌得到粘稠的湿凝胶，将所述湿凝胶置于60～120℃的真空干燥箱中干燥得到干凝胶；

将所述干凝胶快速转移至马弗炉中，在400～600℃下预烧结4～6小时，得到预烧产物，冷却至室温下研磨，然后在700～1000℃下进行二次烧结0.5～10小时，在400～600℃下退火4～6小时，冷却至室温再研磨，过筛后得到粒径均匀的镍锰酸锂复合氧化物LiNi_0.5Mn_1.5O₄。

所述以鳞片状石墨为原料采用Hummers法制备氧化石墨，再对所述氧化石墨进行剥层，在化学还原的同时利用甲基蓝对所述氧化石墨进行功能化，得到亲水改性的石墨烯片，具体包括：

将浓硫酸冷却到5°C以下，剧烈搅拌下加入一定量的石墨、高锰酸钾和硝酸钠，升温到30-40°C搅拌1h，在加入水稀释反应体系，再升温到90-100°C反应0.5-2h，滴加过氧化氢还原剩余的高锰酸钾，并收集固体，洗涤干燥后得到氧化石墨；

将所得到的氧化石墨在溶剂中通过超声波进行分散，再加入甲基蓝，继续超声分散处理1h，将体系加热至60-100°C，以水合肼、柠檬酸或硼氢化钠中的一种为还原剂，搅拌反应24-50h，其中所述用于分散氧化石墨的溶剂为水、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺中的一种；

在反应完成后，冷却至室温，用去离子水洗涤多次，离心收集样品，得到亲水改性的石墨烯片。

所述利用所得到的石墨烯片修饰所制得的镍锰酸锂复合氧化物的颗粒表面，得到石墨烯改性后的镍锰酸锂，具体包括：

将所述亲水改性的石墨烯片与水混合，采用超声波分散得到石墨烯水分散液；

将制得的镍锰酸锂复合氧化物加入该石墨烯水分散液中继续超声处理，并收集固体，干燥后即得石墨烯改性后的镍锰酸锂。

所述锂盐为CH₃COOLi、LiCl、LiNO₃中的一种；