[发明专利]石墨烯负载富锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯负载富锂正极材料的制备方法，属于锂离子电池正极材料制备技术。

背景技术

锂离子电池作为一种重要的电化学能量储存与转换装置，已经广泛地应用在手机、笔记本电脑、电动汽车以及混合电动汽车等领域，成为缓解能源危机与环境污染等问题的一种有效途径。锂离子电池的性能在很大程度上取决于正极材料的性能，以 LiCoO2为代表的传统正极材料由于资源紧缺、原料成本高和对环境有污染等缺点在工业化生产中受到制约。近年来，富锂层状正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂ (M=Ni、Co、Mn、Ni_0.5Mn_0.5、Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3等)以其低廉的成本，高的能量密度、结构稳定、较好的循环性能和良好的安全性能成为了人们研究的重点。富锂层状正极材料在充电到4.8V时具有较高的放电容量（≥200mAh/g），然而这种材料还是存在很多问题限制了其进一步的在动力电池方面的应用：1）大的首次不可逆容量当充电电压充到4.6V以上伴随着Li₂O的净脱出；2）导电性差；3）较长时间循环后，电压平台急速衰减。

石墨烯是一类单层碳原子组成的新型二维纳米碳材料，是目前世界上最薄的二维材料，研究发现，石墨烯具有优良的电化学性能，其室温电子迁移率达到10000cm²/S，不仅如此，石墨烯还具有优良的稳定性，较宽的电化学窗口和较大的比表面积等特点使石墨烯适用于设计新型的具有3D-网络的复合结构。但是由于富锂层状正极材料的合成过程需要氧气氛围煅烧会造成石墨烯的破坏，因此目前石墨烯-富锂层状正极材料只是通过机械混合合成，Rao等人(ACS Appl. Mater. Interfaces 2011,3,2966–2972)利用球磨制备了LiNi1/3Mn1/3Co1/3-石墨烯复合材料，Jiang等人（ACS Appl. Mater. Interfaces2012,4, 4858–4863）利用超声搅拌的方法制备了富锂层状正极材料和石墨烯的复合结构。

从以上合成过程可以看到，目前合成富锂正极材料过程比较繁琐，且都是通过外加石墨烯混合法，界面结合性能不好，合成过程不易控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种石墨烯负载富锂正极材料制备方法，该方法过程简单，可控性好。所制备的石墨烯负载富锂正极材料具有良好的电化学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种石墨烯负载富锂正极材料制备方法，该石墨烯负载的富锂正极材料的分子式为Li_1.2Mn_0.6Ni_0.2O₂，其特征在于包括以下过程：

 (1）将硫酸锰、硫酸镍、过硫酸铵溶解在去离子水中，配制成含锰离子浓度为0.1～0.5mol/L，镍离子浓度为0.1～0.2mol/L，铵离子浓度为0.1～1mol/L的混合溶液，室温下密封搅拌30min～60min，得到混合均匀的溶液；

（2）将石墨烯溶解在去离子水中，配制成浓度为1～3g/L的均匀溶液，室温下密封超声2小时；

（3）将步骤（1）制得的混合均匀溶液和步骤（2）制得的石墨烯溶液以体积比为1:1混合，在室温下密封搅拌30min～60min；

（4）室温下密封搅拌，将氢氧化锂溶解在去离子水中，配制成浓度为1～5mol/L的均匀溶液；

（5）将步骤（3）制得的均匀混合溶液和步骤（4）制得的氢氧化锂溶液以体积比为1:2混合均匀，在室温下密封搅拌1～2h,得到前驱体混合液；

（6）将步骤（5）制得的前驱体混合液加入水热反应釜中，在温度180～220℃，反应10～24h，然后经冷却、过滤，滤饼于温度80～100℃干燥6h，研磨制得石墨烯负载富锂正极材料Li_1.2Mn_0.6Ni_0.2O₂。