[发明专利]一种包覆硫掺杂石墨烯三元材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提出了一种包覆硫掺杂石墨烯三元材料及其制备方法和应用，包覆硫掺杂石墨烯三元材料粒径为10～20μm，包覆层厚度为3～6nm，首次放电比容量为220～227.6mAh/g，充放电循环为96％～98％。其制备方法包括步骤：a.将三元材料前驱体和锂源混合，通入保护气加热煅烧，得到三元材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂；b.将三元材料与氧化石墨烯混合，通保护气加热煅烧，得到包覆石墨烯的三元材料；c.将包覆石墨烯的三元材料和硫源分别置于两个瓷舟并放入管式炉中，通保护气加热煅烧，得到包覆硫掺杂石墨烯的三元材料。本发明操作简单，对原料要求较低，利于工业化生产。本发明提供的包覆硫掺杂石墨烯三元材料较纯净，杂质少，包覆厚度较均匀，具有较高的首次比容量和优异的循环性能等优点，能够应用于制作锂离子电池正极材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，特别涉及一种包覆硫掺杂石墨烯三元材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源问题是关系到全世界可持续发展的关键问题，寻求和开发可替代二次能源是世界各国的重要国策。锂离子电池是最近十多年来迅猛发展起来的一种高能电池，已经成为二次能源的首选。锂离子电池因能量高、寿命长、污染小、质量轻、体积小等优点，使手机、笔记本电脑、数码相机、数码摄像机、电动工具等便携式电子产品在市场上的得到广泛应用，带动了锂离子电池行业的快速发展。

正极材料的研究与改进一直是锂离子电池研究的热点。最早商业化应用的正极材料LiCoO₂由于价格较高，且对环境有污染，将逐渐被价格低廉、无环境污染的其他正极材料所取代。例如，具有α-NaFeO₂型层状结构的化合物LiNiO₂和LiMnO₂，具有尖晶石结构的LiMn₂O₄，具有橄榄石结构的LiFePO₄等。

然而，LiNiO₂合成困难，锂离子电池正极材料中，掺杂改性后的层状锰系衍生物合成简单、成本低，应用前景看好。其中，三元层状结构的Li[Ni-Co-Mn]O₂锂离子电池正极材料，综合LiCoO₂、LiNiO₂和LiMnO₂三种层状材料的优点，其性能好于以上任一单一组分正极材料，存在明显的协同效应：通过引入Co，能够减少阳离子混合占位(Cation Mixing)情况的发生，有效稳定材料的层状结构入Ni，可提高材料的容量；引入Mn，不仅可以降低材料成本，而且还可以提高材料的安全性和稳定性。而Li[Ni-Co-Mn]O₂材料基本物性及充放电平台与LiCoO₂相近，适合现有各类锂离子电池应用产品，有望先期取代现有各类其他正极材料，获得市场认可。LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料由于容量高、循环衰减量少，已成为具有发展前景的锂离子电池正极材料之一。

综上所述，锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂具有电化学性能好(如放电容量高，循环性能好)，热稳定性好，安全性好且价格低廉的优点，尤其是应用于电动汽车和大型储能用大容量、高功率锂离子电池，对解决能源短缺与环境污染都具有重大意义。因此，电化学性能优良的层状LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂是有望取代LiCoO₂的正极材料。