[发明专利]一种纳米交联的富锂锰基材料/石墨烯复合材料的制备方法以及其在锂离子电池中的应用

说明书

本发明提供一种纳米交联的0.4Li₂MnO₃·0.6LiNi_2/3Mn_1/3O₂/石墨烯复合材料的制备方法以及其在锂离子电池中的应用，本发明所制备的有纳米交联结构的0.4Li₂MnO₃·0.6LiNi_2/3Mn_1/3O₂/石墨烯给电子的传导提供了较短的路径，能够连续和快速地传递电子。其粒径在100nm到200nm之间，作为一种锂离子电池的正极活性材料，在2C的倍率下循环100圈之后放电比容量还有205mA h/g，大约是第一圈比容量的97％。合成步骤如下；(1)将7份C₂H₃O₂Li·2H₂O、2份C₄H₆O₄Ni·4H₂O和3份C₂H₆O₄Mn·4H₂O加入烧杯中，然后按照0.4Li₂MnO₃·0.6LiNi_2/3Mn_1/3O₂与石墨烯1∶0.1的比例加入石墨烯，(2)将适量的PVP加入烧杯作为调节剂。最后将去离子水与乙醇按照体积比为1∶5混合加入烧杯搅拌，直到固体全部溶解成深绿色。(3)然后将溶液放在70‑90℃下搅拌直到乙醇和去离子水挥发溶液变成凝胶状。(4)将得到的凝胶在氮气的保护下从室温按照不超过10℃/min的升温速度加热到800℃，然后保温6‑10小时。最后降温到室温得到了灰色的粉末。

技术领域

本发明涉及一种富锂锰基复合材料的合成技术领域，尤其涉及该富锂锰基复合材料在锂离子电池中的应用的技术领域。

背景技术

储能技术是实现太阳能、风能等新能源与可再生能源发电并网普及应用和智能电网建设所急需的核心技术之一，可推动清洁能源大规模利用，实现低碳经济与节能减排。二次电池代表了储能技术的主要研究方向。现有的二次电池因为各种缺陷还不能满足储能技术的需求，因此，研发高能量密度电池材料正成为提升传统电池性能、研制新型电池、降低成本的关键科学与技术，是全面提升现有二次电池综合性能和研制新型电池的必然选择，代表了当前电池材料与技术研究的主流与前沿发展方向。以电动汽车和电网蓄能为急切使用需要的下一代锂离子二次电池，在满足稳定、环保、成本、寿命等根本条件下，要求具备更高的能量密度和良好充放电能力，例如，美、日等国对下一代锂离子动力电池的能量密度要求达到300Wh/kg，几乎是目前国内正在开发应用的锂离子电池能量密度的2倍以上。提高电池的能量密度有两个方面：一种方式是提高比容量；第二种方式是提高工作电压。

富锂锰基正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(0≤x≤1，M＝Co、Ni、Mr等)是一类有潜能的电极材料，它的稳定性好，同时比容量也比较可观。这种结构可以理解为层状岩盐型的Li[Li_0.33Mn_0.67]O₂和LiMO₂的复合结构，提高了彼此之间的结构相容性，分子式也可写为Li[Li_x/3M(1-x)Mn_2x/3]O₂(0＜x＜1，因此具有优异的结构稳定性。该材料以锰为主要组分，因此成本较低。通过调节x的值可以制备出比容量接近300mA h/g的材料。

富锂锰基层状氧化物有着稳定的结构，它不仅成本低而且在高电压下有良好的容纳锂离子性能。然而，富锂锰基氧化物层在高倍率下循环性能不好。据报道，纳米结构减短了锂离子和电子的扩散距离同时也增加了表面积来促进电荷转移从而增强了电极性能。通过溶胶凝胶法用金属盐和含有表面活性剂的水溶液制备的LiMn₂O₄纳米链材料。它在1C的倍率下可逆容量能达到100mA h/g，在20C的充电倍率下容量达到58mA h/g。