[发明专利]一种纳米碳掺杂的锰基固溶体正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种纳米碳掺杂的锰基固溶体正极材料及其制备方法。

背景技术

   锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长的优点，大量应用于便携式电器。而目前商业化使用的LiCoO₂ 因储量少价格高，使锂离子电池的更大规模的应用受到限制。Li(Co–Ni–Mn)O₂基材料具有高比容量(200~300 mAh/g)及较低的价格而受到越来越多的关注，是目前正极商业化主流产品 LiCoO₂ 很好的替代品。此外，LCMNO材料具有较高的结构稳定性，在多次的嵌锂-脱锂过程中能保持良好的层状结构；LCMNO材料也表现出较好的热稳定性，甚至在90 °C下放置1周，性质也不会衰减。

最近，有研究者通过表面包覆Co₃(PO₄)₂来提高LCMNO的容量和循环稳定性。此外纳米级的LCMNO还用来填覆微米级LiCoO₂的空隙，以期提高其容量和倍率性能。

碳材料逐渐的被应用在正极材料中以提高正极材料的导电性和倍率性能。其中碳纳米管和石墨烯被认为是21世纪最有前途的纳米材料。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，具有许多独特的物理化学性质，如比表面积达2630 m²/g、断裂强度高达/125 GPa、载流子迁移率达200000 cm²/V·s、热导率达5000 W/m·k等。作为复合材料的添加相时，不仅可以提高复合材料的力学性能，同时还能赋予复合材料抗静电、导电、吸波等一些特殊的性能。碳纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸可达微米量级）的一维量子材料,具有典型的层状中空结构特征，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，和石墨烯一样具有具有高模量、高强度、高电导率及高热导率。用石墨烯或碳纳米管对LCMNO进行掺杂，一方面有利于改善LCMNO的导电性提高其倍率性能，另一方面能稳定LCMNO的结构骨架提高其电化学循环稳定性。

发明内容

本发明的目的正是提供一种反应时间短，工艺简单，可以工业化生产的纳米碳掺杂的锰基固溶体正极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：所述一种纳米碳掺杂的锰基固溶体正极材料的制备方法为按一定化学计量比配置锂盐、锰盐、镍盐、钴盐的混合盐溶液；将一定质量百分比的纳米碳加入到上述混合盐溶液1中，产生混合物1；将混合物1在一定温度下加热直至变为透明的黏性泥浆；将黏性泥浆置于不锈钢舟中焙烧直至转化为泡沫状的灰烬；将上所得灰烬磨成粉末后在高温空气气氛下烧结一定时间即得到纳米碳掺杂的固溶体材料。

上述的金属盐溶液为硝酸盐和醋酸盐的混合溶液。

上述混合盐溶液1中的金属离子溶液的总浓度为1–5 mol/L。

上述的纳米碳的百分比为2%–10%，纳米碳包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管及石墨烯。

上述的混合物1的加热温度为100–200 °C。

上述的焙烧温度为400–500 °C。

上述的烧结温度控制在800–1000 °C，焙烧时间2-6h，升温速率为3-10°C/min。

本发明的优点：本发明采用燃烧法制备固溶体正极材料，反应时间短，工艺简单，可以工业化生产。用石墨烯或碳纳米管进行掺杂，一方面有利于改善固溶体材料的导电性提高其倍率性能，另一方面能稳定固溶体材料的结构骨架提高其电化学循环稳定性。

附图说明

    图1 为本发明所述石墨烯掺杂的固溶体Li_1.2(Mn_0.5Ni_0.2Co_0.1)O₂的低倍及高倍SEM图；

    图2 为本发明所述固溶体Li_1.2(Mn_0.5Ni_0.2Co_0.1)O₂掺杂前及掺杂后的倍率循环比较。

具体实施方式

实施例1 （对比例）

固溶体Li_1.2(Mn_0.5Ni_0.2Co_0.1)O₂的制备过程