[发明专利]一种石墨烯包覆的镍锰酸锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种石墨烯包覆镍锰酸锂材料的制备方法。

背景技术

近年来，随着纯电动汽车和混合电动汽车的迅速发展，高能量、长寿命、低成本的化学电源显得尤为紧迫，锂离子电池以其工作电压高、比能量大、循环寿命长、污染小等优点在众多化学电源中脱颖而出。在锂离子电池的各个组成部分中，正极材料性能的高低决定着电池整体性能的优势与否，由于镍锰酸锂（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）材料电压平台高、能量密度大、价格低廉、资源丰富、环境友好等优点而被广泛应用为锂离子电池正极材料。成为当前国内外众多高校、企业及科研院所研究的重点和热点之一。

但镍锰酸锂（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）材料还存在着循环稳定性，尤其是在高温条件下循环稳定性欠佳等缺陷，限制了该材料的使用寿命。这是因为当镍锰酸锂材料直接与电解液接触时，会与电解液在其表面发生化学反应，导致结构坍塌，锂离子嵌脱性能大大降低等问题。对材料表面进行修饰是解决上述问题的直接方法，其中，包覆是表面修饰的常用方法。据文献报道包覆镍锰酸锂的材料主要为化学稳定性好的单质与化合物，包括金属单质（如Au、Ag等）、金属氧化物（如ZnO、SnO₂等）、磷酸盐（如AlPO₄等）和其他化合物（如BiOF等）。然而喷涂金属单质包覆镍锰酸锂不仅阻碍了锂离子的扩散，并在还原过程中的腐蚀会降低材料表面的活性。磷酸盐非电化学活性物质，磷酸盐的包覆增大材料与电解液之间的电阻，阻碍了锂离子的嵌入和脱出。以上包覆材料虽阻隔了镍锰酸锂材料与电解液的直接接触，却同时存在腐蚀材料表面、增大电阻、降低比容量等问题。

发明内容

本发明为解决以上公知技术中存在的技术问题而提供一种石墨烯包覆的镍锰酸锂材料的制备方法。

本发明的目的是提供一种具有化学稳定性好，导电性好，比容量高，循环稳定性好，倍率性能好，制备工艺简单，生产成本低，环境友好等特点的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法。

本发明在采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步对其进行石墨烯包覆。溶胶凝胶法合成同步包覆的方法主要是指在制备镍锰酸锂过程中滴加石墨烯的DMF溶液，经过超声分散使石墨烯与制备的镍锰酸锂溶胶混合均匀，蒸掉混合溶液的水得到均匀混有石墨烯的镍锰酸锂凝胶态，通过高温煅烧制得镍锰酸锂材料且完成石墨烯包覆。

本发明工艺步骤简单，所需药品器材要求低，结合合成与包覆过程大大减少了操作步骤。简化的合成过程采取在溶胶凝胶法合成镍锰酸锂的过程中滴加分散均匀的石墨烯材料溶液，随着合成过程石墨烯均匀混合在镍锰酸锂的前驱体中，后经高温煅烧制得石墨烯包覆的镍锰酸锂正极材料。经过石墨烯包覆的镍锰酸锂材料避免了直接与电解液接触，减少材料表面与电解液会发生化学反应，解决结构坍塌、比容量损失等问题。

本发明锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法所采取的技术方案是：

采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆。

所述的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法，其特点是：采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆时，溶胶凝胶法制备镍锰酸锂，原料镍、锰、锂用高温煅烧易去除的有机盐。

所述的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法，其特点是：采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆时，同步进行是指在溶胶凝胶法合成镍锰酸锂的过程中滴加配置的石墨烯薄片的DMF溶液，随制备镍锰酸锂材料的同时完成石墨烯包覆。

进一步的包括以下工艺步骤：

（1）制备镍锰酸锂前躯体

按化学计量比镍、锰、锂的有机盐于50-150ml蒸馏水中溶解，加入一种或一种以上凝胶辅助剂，将溶液加热至40-80℃下恒定磁力搅拌，反应进行2-6h。

（2）配置石墨烯DMF溶液

在110-170℃条件下，将购买得到的石墨烯薄片定量分散在二甲基甲酰胺（DMF）溶液中。

（3）配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂预烧前驱体

将步骤（2）中配置的石墨烯薄片的DMF溶液定量滴加到步骤（1）中的反应体系中，超声2-4h，将多组分体系升温至90-150℃，体系中水蒸发以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将体系在120-150℃真空干燥。