[发明专利]一种氮掺杂石墨烯导电剂及其制备方法、包含该导电剂的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及氮掺杂石墨烯导电剂工艺技术领域，特别是一种氮掺杂石墨烯导电剂及其制备方法、包含该导电剂的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有比容量大、放电电压高而平稳、低温性能好、环境友好、安全、寿命长、自放电微弱等镍氢、镍镉二次电池无可比拟的优点。自1991 年问世以来，经过10 余年的发展，锂离子电池已经主导了小型便携电池的市场，如大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等的电池。随着锂离子电池的性能的完善，待以时日锂离子电池必将进入大型动力电池的市场，如电动汽车的电池。随着动力锂离子电池的迅猛发展，价格较为昂贵、资源有限的钴氧化物已经不堪重负。研究者已经将目光转移到资源丰富、环境友好、价格便宜的锰氧化物，磷酸盐等材料。这些材料的电导率都很低，但还要保持良好的大倍率充放电特性、较长的使用寿命，这正是目前动力锂离子电池工业所面临的一个巨大挑战。作为锂离子电池重要组成部分的导电剂，对改善电池性能有着重要的作用。能够提高充放电倍率、循环稳定性的新型导电剂的研究开发，已经成了锂离子电池研究的一个重要课题。

目前常用的锂离子电池导电剂有乙炔黑、碳黑、人造石墨、天然石墨和石墨烯等。

人造石墨和天然石墨作为导电剂虽然能有效地提高锂离子电池的比容量，但随着充放电倍率的增大，比容量都有较大程度的降低，原因是复合材料的极化导致了充电不完全，而极化很大程度上归因于导电性差，电子不能迅速转移。碳黑是常用的锂离子电池的导电剂之一。其价格便宜，使用方便，但在碳黑表面大多都有一层焦油，这在一定程度上影响了碳黑原有的电特性。要想使锂离子电池保持大倍率充放电性能则需要较多的碳黑，添加量要高达10(wt)%以上，不利于工业化生产。乙炔黑性能相对导电性较好，但其与活性物质的接触点是点接触，限制了导电作用的发挥，增加了导电剂添加量。石墨烯作为导电剂，与活性物质的接触点为点-面接触，可以最大化的发挥导电剂等作用，减少导电剂的用量，提升锂离子电池的能量密度，但是石墨烯的片状结构，会对锂离子扩散形成阻碍，从而造成电池的倍率性能下降。

发明内容

本发明的最主要目的在于提供了一种氮掺杂石墨烯导电剂及其制备方法以及包含该导电剂的锂离子电池，具有导电性好、产率高、性能优异和可大规模生长的特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯导电剂，包括以下步骤：以石墨粉为原料制备得到氧化石墨烯粉末，使用化学气相沉积法，在常压状态，氨气气体气氛围下，高温加热得到掺杂量为4-8wt%的氮掺杂石墨烯材料；所述加热温度为400～600℃，加热时间为0.5～2h，其中氨气的流量为50～300sccm。

进一步地，所述氨气流量为300sccm，所述的高温温度为550℃，所述加热的时间为1h。

进一步地，所述氨气为高纯氨。

同时，本发明还公开了根据上述氮掺杂石墨烯导电剂的制备方法所得的氮掺杂石墨烯导电剂。

此外，本发明还公开了一种锂离子电池，包括上述氮掺杂石墨烯导电剂的制备方法所得的氮掺杂石墨烯导电剂。

进一步地，所述锂离子电池的正极材料为磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和/或钴酸锂。

进一步地，所述锂离子电池的负极材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、硅碳复合材料和/或钛酸锂。

进一步地，所述锂离子电池的制作方法包括正极片制作和负极片制作；

正极片制作：先将5～10wt%粘结剂与溶剂制成胶液，再加入1～3wt%改性石墨烯导电剂分散好，最后加入75～90wt%的正极活性材料，混合成浆料，调节粘度，在铝箔上涂布出极片，辊压分切得到正极片；

负极片制作：先将2～4wt%增稠剂与去离子水配置成胶液，加入1～2wt%石墨烯导电剂分散好，再加入90～98wt%的负极活性材料，最后加2～4wt%粘结剂，混合成浆料，调节粘度，在铜箔上涂布出极片，得到负极片。

进一步地，所述正极片、负极片通过卷绕成型，正极片、负极片之间采用隔膜分开，电解液采用1mol/L的LiPF₆的电解液。

本发明氮掺杂石墨烯导电剂具有如下有益的技术效果：

本发明提供的制备方法简单，原料简便易取，操作简单，易于实现，制备得到的氮掺杂石墨烯。以所述改性石墨烯作为导电剂应用于锂离子电池。能有效使添加量减少节省成本，同时能有效提高锂离子电池的容量，为目前资源紧缺问题提供了很好的材料，具备极大的应用前景。

附图说明

附图1为氮掺杂石墨烯导电剂的TEM测试结果；