[发明专利]掺锰硅酸铁锂/石墨烯空心纳米球正极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种Li₂Fe_xMn_1‑xSiO₄@石墨烯空心纳米球正极材料的制备方法，具体步骤为：以聚苯乙烯球(PS)作为模板，在其表面包覆一层均匀的介孔二氧化硅层，超声分散在一定摩尔比的锂盐、铁盐和锰盐的醇溶液中，油浴、搅拌吸附，离心，洗涤，干燥后得到在聚苯乙烯球(PS)表面形成的硅酸铁锂前驱体，缓慢加入石墨烯水溶液中，搅拌、冷冻干燥后在惰性气体中高温煅烧，得到灰色粉末，即为所制备的Li₂Fe_xMn_1‑xSiO₄@石墨烯空心纳米球正极材料。本发明原材料含量丰富，成本低廉，所制备的Li₂Fe_xMn_1‑xSiO₄正极材料空心纳米球分布均匀，具有优良的微观结构，并且具有较好的电化学性能。

技术领域

本发明属于材料合成和电化学技术领域，涉及锂离子电池正极材料及其制备方法，尤其涉及一种掺锰硅酸铁锂/石墨烯空心纳米球正极材料及其制备方法，更具体地，涉及一种Li₂Fe_xMn_1-xSiO₄@石墨烯空心纳米球正极材料及其制备方法。

背景技术

和传统电池相比，锂离子电池具有体积小、容量大、电压高、无记忆效应等优点，被公认为是理想的储能装置。锂离子电池是现代高性能电池的代表，已广泛应用于电子设备、医疗器械、电动汽车、航空航天及军工等领域。作为锂离子电池关键材料中的正极材料，其性能好坏不仅直接影响电池的性能，而且对降低电池成本、实现电动汽车产业化具有十分重要的意义。

聚阴离子型材料如硅酸铁锂Li₂FeSiO₄具有原料丰富、热稳定性和安全性能好、理论放电容量高等优点，是理想的动力电池正极材料。但Li₂FeSiO₄存在多种晶型，并且其电子电导率差、离子扩散系数低、第二个锂离子脱/嵌电压过高和材料变形较大的问题，一直制约着Li₂FeSiO₄的实际应用。目前限制Li₂FeSiO₄实现两个锂离子脱嵌的因素主要有两个：一是材料本身电导率低，不利于电子的传输；二是合成的材料颗粒太大，不利于锂离子在充放电过程中的迁移。因此，在材料表面包覆导电性好的物质来提高其导电率和减小材料颗粒大小缩短锂离子迁移的路径是两个比较有效的提高材料放电比容量的方式。

石墨烯是sp²杂化的碳构成的单层苯环网状结构，具有独特的二维结构和优异的力学、光学、电学及热学性能，并且是目前已知的电导率最高的材料，室温下电子迁移率可超过15000cm²(V·s)^-1，除此之外，石墨烯还有很大的比表面积。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。虽然原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小，具有优异的机械延展性和高的弹性模量。因此，石墨烯的优良性能已在新能源储能领域引起广大研究者的关注。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在以聚苯乙烯球(PS)作为模板，在其表面包覆一层均匀的介孔二氧化硅层，来制备空心结构的Li₂Fe_xMn_1-xSiO₄，从而降低材料的在充放电过程中的离子扩散路径，提升其放电比容量。并通过进一步引入石墨烯进行电化学性能的改进。