[发明专利]一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料及制备方法。

背景技术

相比于其它电池体系，锂离子电池具有能量密度高、循环性能好和无记忆效应等优点，其作为一种重要的储能器件，已经广泛应用于便携式电子设备、电动工具及电动交通工具等领域。随着新能源汽车的迅速发展，对为其提供能量的锂离子电池提出了更高的要求，尤其是功率性能及循环性能的要求更为苛刻。锂离子电池中正极材料是影响电池性能的关键因素，理想的锂离子电池正极材料应当具备高容量、高倍率、高循环性能，同时还应具备环境友好和成本低等优势，然而，目前的锂离子电池正极材料还不能够很好地满足电动汽车对倍率性能、安全性能及循环性能的要求。

目前报道的锂离子电池正极材料还不能很好的满足上述对锂离子电池的高要求，上述要求中容量性能和循环性能是评价电池正极材料好坏的关键指标，在目前的研究中，这两个指标往往难以同时满足，因此寻找同时满足高容量和好的循环性能的锂离子电池正极材料成为各研究者的主要目标。目前，三元正极材料，特别是高镍三元材料由于其成本优势和电性能特点逐渐成为研究热点。然而随着镍含量的增加，材料在电解液中的稳定性越差，所制备电池的循环性能越差。同时，较高的残碱不利于电池材料的加工。为了改善这些问题，对材料进行掺杂和包覆改性是有效的方法。其中，表面包覆是常用的改性手段，研究发现包覆层可作为保护层缓解电解液对正极材料的腐蚀，抑制结构坍塌、显著提高三元材料的循环稳定性和热稳定性。通过选择不同的包覆材料来实现三元正极材料热稳定性、倍率性能以及循环稳定性能的显著提升。常见的三元材料的包覆材料有碳材料、氧化物、氟化物、磷酸盐、锂化物及聚合物等(Zhou P F,Zhang Z,Meng H J,et al.Nanoscale,2016,8,19263-19269)。但目前大多数的包覆材料是锂“绝缘体”，通常在大倍率下材料的锂离子传输速率及其稳定性差，造成其倍率性能差，同时材料包覆不均一性显著影响材料的电性能发挥。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂离子三元正极材料及其制备方法，旨在解决现有镍钴锰酸锂三元材料的加工性能和充放电循环、倍率性能不很理想的技术问题。

一方面，所述氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法包括下述步骤：

1)将氧化石墨、氮源分散于水中形成分散液，加入抗坏血酸加热得到凝胶；

2)取钼源、锂电三元材料加入所述凝胶中搅拌蒸干得到混合物料；

3)将所述混合物料于惰性气氛中煅烧，冷却后获得氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料

进一步的，步骤1)中，氧化石墨添加量为锂电池正极材料质量的0.1％～5％，所述分散液的浓度为0.1～5mg/mL，所述氮源为尿素或硫脲。

进一步的，步骤1)中，加热得到凝胶的加热温度为50～100℃，加热时间为0.5～10h。

进一步的，步骤2)中，钼元素的添加量为500～3000ppm。

进一步的，步骤2)中，搅拌蒸干温度为80～100℃，时间为0.5～2h。

进一步的，步骤3)中，惰性气体为氩气或氩气与氢气的混合气，煅烧温度为500～900℃，时间为3～12h。

另一方面，所述氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料由上述方法制备得到，其内核为锂电三元材料，外层为氮掺杂石墨烯导电网络负载钼酸锂的复合包覆层。

进一步的，所述锂电三元材料为NCM523、NCM622、NCM811中的一种。

本发明的有益效果是：本发明在包覆过程利用石墨烯凝胶与钼源均匀分散于正极材料表面，在惰性氛围中实现氮掺杂石墨烯和钼酸锂同时生成；氮掺杂石墨烯的形成一方面在正极材料表面形成导电网络，氮掺杂有利于电子传输，特殊的网络结构有利于充放电循环过程中锂离子和电解质的传输，大大提高锂离子的传输速率，石墨烯凝胶所需抗坏血酸的加入有助于降低部分残碱，钼源与表面残碱反应也有助于降低残碱，提高材料的加工性能。此外，钼酸锂锂离子导体包覆层的形成有助于提高锂离子的传输性能，因此得到的正极材料电化学性能有较大的提高，循环稳定性和倍率性能都有所改善。

附图说明

图1是实施例一与对比例一的三元正极材料的循环图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。