CN104828878B - 一种石墨烯包覆的镍锰酸锂材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法。本发明属于锂离子电池技术领域。锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法：（1）制备镍锰酸锂前躯体；（2）配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液；（3）将步骤（2）获得的石墨烯二甲基甲酰胺溶液滴加到步骤（1）获得的镍锰酸锂前躯体中超声，挥干获得混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体；（4）煅烧步骤（3）获得的混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体制备获得锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂。本发明具有成本低，工艺条件简单，包覆率高，纯度高，比容量高，循环稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种石墨烯包覆镍锰酸锂材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着纯电动汽车和混合电动汽车的迅速发展，高能量、长寿命、低成本的化学电源显得尤为紧迫，锂离子电池以其工作电压高、比能量大、循环寿命长、污染小等优点在众多化学电源中脱颖而出。在锂离子电池的各个组成部分中，正极材料性能的高低决定着电池整体性能的优势与否，由于镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）材料电压平台高、能量密度大、价格低廉、资源丰富、环境友好等优点而被广泛应用为锂离子电池正极材料。成为当前国内外众多高校、企业及科研院所研究的重点和热点之一。
但镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）材料还存在着循环稳定性，尤其是在高温条件下循环稳定性欠佳等缺陷，限制了该材料的使用寿命。这是因为当镍锰酸锂材料直接与电解液接触时，会与电解液在其表面发生化学反应，导致结构坍塌，锂离子嵌脱性能大大降低等问题。对材料表面进行修饰是解决上述问题的直接方法，其中，包覆是表面修饰的常用方法。据文献报道包覆镍锰酸锂的材料主要为化学稳定性好的单质与化合物，包括金属单质（如Au、Ag等）、金属氧化物（如ZnO、SnO2等）、磷酸盐（如AlPO4等）和其他化合物（如BiOF等）。然而喷涂金属单质包覆镍锰酸锂不仅阻碍了锂离子的扩散，并在还原过程中的腐蚀会降低材料表面的活性。磷酸盐非电化学活性物质，磷酸盐的包覆增大材料与电解液之间的电阻，阻碍了锂离子的嵌入和脱出。以上包覆材料虽阻隔了镍锰酸锂材料与电解液的直接接触，却同时存在腐蚀材料表面、增大电阻、降低比容量等问题。
发明内容
本发明为解决以上公知技术中存在的技术问题而提供一种石墨烯包覆的镍锰酸锂材料的制备方法。
本发明的目的是提供一种具有化学稳定性好，导电性好，比容量高，循环稳定性好，倍率性能好，制备工艺简单，生产成本低，环境友好等特点的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法。
本发明在采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步对其进行石墨烯包覆。溶胶凝胶法合成同步包覆的方法主要是指在制备镍锰酸锂过程中滴加石墨烯的DMF溶液，经过超声分散使石墨烯与制备的镍锰酸锂溶胶混合均匀，蒸掉混合溶液的水得到均匀混有石墨烯的镍锰酸锂凝胶态，通过高温煅烧制得镍锰酸锂材料且完成石墨烯包覆。
本发明工艺步骤简单，所需药品器材要求低，结合合成与包覆过程大大减少了操作步骤。简化的合成过程采取在溶胶凝胶法合成镍锰酸锂的过程中滴加分散均匀的石墨烯材料溶液，随着合成过程石墨烯均匀混合在镍锰酸锂的前驱体中，后经高温煅烧制得石墨烯包覆的镍锰酸锂正极材料。经过石墨烯包覆的镍锰酸锂材料避免了直接与电解液接触，减少材料表面与电解液会发生化学反应，解决结构坍塌、比容量损失等问题。
本发明锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法所采取的技术方案是：
采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆。
所述的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法，其特点是：采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆时，溶胶凝胶法制备镍锰酸锂，原料镍、锰、锂用高温煅烧易去除的有机盐。
所述的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法，其特点是：采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆时，同步进行是指在溶胶凝胶法合成镍锰酸锂的过程中滴加配置的石墨烯薄片的DMF溶液，随制备镍锰酸锂材料的同时完成石墨烯包覆。
进一步的包括以下工艺步骤：
（1）制备镍锰酸锂前躯体
按化学计量比镍、锰、锂的有机盐于50-150ml蒸馏水中溶解，加入一种或一种以上凝胶辅助剂，将溶液加热至40-80℃下恒定磁力搅拌，反应进行2-6h。
（2）配置石墨烯DMF溶液
在110-170℃条件下，将购买得到的石墨烯薄片定量分散在二甲基甲酰胺（DMF）溶液中。
（3）配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂预烧前驱体
将步骤（2）中配置的石墨烯薄片的DMF溶液定量滴加到步骤（1）中的反应体系中，超声2-4h，将多组分体系升温至90-150℃，体系中水蒸发以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将体系在120-150℃真空干燥。
（4）煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤（3）中配置的前躯体300-600℃预煅烧2-5h，于700-900℃条件下煅烧6-10h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
进一步的技术方案如下：
所述的锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法，其特点是：采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆时，配置石墨烯薄片的DMF溶液，石墨烯的厚度为1-10层。
本发明具有的优点和积极效果是：
锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1．本发明原料为有机盐，有机酸根高温煅烧易去除，产品纯度高，环境友好，生产成本低。
2．本发明中采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂同步进行石墨烯包覆，不仅简化了镍锰酸锂的合成与包覆的工艺步骤，而且减少了杂相的生成。
3.本发明采用的石墨烯薄片为1-10层，通过超声均匀分散在镍锰酸锂的煅烧前驱体中，提高了镍锰酸锂的包覆率。
4．本发明通过石墨烯包覆的镍锰酸锂具有化学稳定性好，导电性好，比容量高，循环稳定性好等特点的锂离子电池正极材料。
5. 本发明经过石墨烯包覆的镍锰酸锂材料避免了直接与电解液接触，减少材料表面与电解液会发生化学反应，解决了结构坍塌、比容量损失等问题。
附图说明
图1 未经石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的SEM图；
图2 实施例1中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的SEM图；
图3 实施例2中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的SEM图；
图4 实施例3中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的SEM图；
图5 实施例1中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的首次充放电曲线；
图6 实施例2中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的首次充放电曲线；
图7 实施例3中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的首次充放电曲线；
图8 实施例1中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的前后不同倍率性能测试曲线。
图9 实施例2中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的前后不同倍率性能测试曲线。
图10 实施例3中石墨烯包覆的LiNi0.5Mn1.5O4材料的前后不同倍率性能测试曲线。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10。
实施例1
一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，本实施例石墨烯包覆18.30 g（0.10 mol）LiNi0.5Mn1.5O4正极材料，具体包括以下工艺步骤：
（1）制备镍锰酸锂前躯体
称取乙酸镍（C4H6O4Ni·4H2O）12.44g（0.05mol），乙酸锰（Mn(CH3COO)2)25.95g（0.15mol），乙酸锂（C2H3LiO2）6.60g（0.1mol），于50ml蒸馏水中混合，加入0.6g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和3ml柠檬酸，将溶液加热控温在40℃并恒定磁力搅拌，反应进行6h之后备用。
（2）配置石墨烯DMF溶液
称取0.08g石墨烯薄片分散在110℃的160g的二甲基甲酰（DMF）胺溶液中并控温在110℃备用。
（3）配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤（2）中配置的石墨烯薄片的DMF溶液定量滴加到步骤（1）制备获得的反应液中，超声2h获得多组分体系，超声之后将多组分体系升温至90℃，将组分体系中水蒸发干以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将多组分体系在120℃真空干燥获得干燥的前驱体。
（4）煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤（3）获得的干燥的前躯体在400℃预煅烧3 h，然后于800℃条件下煅烧8h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
（5）对制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料进行相关表征和性能的测试
通过扫描电镜对制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料表征如图2，并与镍锰酸锂材料样品的扫描电镜照片图1对比。将制得的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料组装成纽扣式电池，并对其进行相关性能的测试：包覆前后放电比容量对比图如图5,包覆前后倍率性能测试对比图如图8。
本实施制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料产品成本低，工艺条件简单，包覆率高，纯度高，比容量高，循环稳定。
实施例2
一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，本实施例石墨烯包覆36.60 g（0.20 mol）LiNi0.5Mn1.5O4正极材料，具体包括以下工艺步骤：
（1）制备镍锰酸锂前躯体
称取草酸镍（C2O4·Ni）14.67g（0.1mol），草酸锰（MnC2O4)42.89g（0.3mol），草酸锂（Li2C2O4）10.19g（0.1mol），于100ml蒸馏水中混合，加入1.0g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和6ml柠檬酸，将溶液加热控温在60℃并恒定磁力搅拌，反应进行3.5h之后备用。
（2）配置石墨烯DMF溶液
称取0.16g石墨烯薄片分散在160℃的300g的二甲基甲酰（DMF）胺溶液中并控温在160℃备用。
（3）配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤（2）中配置的石墨烯薄片的DMF溶液定量滴加到步骤（1）中制备获得的反应液中，超声2h获得多组分体系，超声之后将多组分体系升温至100℃，将体系中水蒸发干以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将多组分体系在130℃真空干燥获得干燥的前驱体。
（4）煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤（3）中制备获得的干燥的前躯体300℃预煅烧5 h，然后于900℃条件下煅烧6h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
（5）对制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料进行相关表征和性能的测试
通过扫描电镜对制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料表征如图3，并与镍锰酸锂材料样品的扫描电镜照片图1对比。将制得的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料组装成纽扣式电池，并对其进行相关性能的测试：包覆前后放电比容量对比图如图6,包覆前后倍率性能测试对比图如图9。
本实施制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料产品成本低，工艺条件简单，包覆率高，纯度高，比容量高，循环稳定。
实施例3
一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆镍锰酸锂的制备方法，本实施例石墨烯包覆54.90 g（0.30 mol）LiNi0.5Mn1.5O4正极材料，具体包括以下工艺步骤：
（1）制备镍锰酸锂前躯体
称取草酸镍（C2O4·Ni）22.01g（0.15mol），草酸锰（MnC2O4) 64.34g（0.45mol），乙酸锂（C2H3LiO2）19.80g（0.3mol），于150ml蒸馏水中混合，加入1.5g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和9ml柠檬酸，将溶液加热控温在80℃并恒定磁力搅拌，反应进行2h之后备用。
（2）配置石墨烯DMF溶液
称取0.24g石墨烯薄片分散在170℃的450g的二甲基甲酰（DMF）胺溶液中并控温在170℃备用。
（3）配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤（2）中配置的石墨烯薄片的DMF溶液定量滴加到步骤（1）中制备获得的反应液中，超声4h获得多组分体系，超声之后将多组分体系升温至100℃将体系中的水蒸发干以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将多组分体系在150℃真空干燥获得干燥的前躯体。
（4）煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤（3）中制备获得的干燥的前躯体在600℃预煅烧2 h，然后于700℃条件下煅烧10h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
（5）对制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料进行相关表征和性能的测试
通过扫描电镜对制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料表征如图4，并与镍锰酸锂材料样品的扫描电镜照片图1对比。将制得的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料组装成纽扣式电池，并对其进行相关性能的测试：包覆前后放电比容量对比图如图7,包覆前后倍率性能测试对比图如图10。
本实施制备的石墨烯包覆的镍锰酸锂材料产品成本低，工艺条件简单，包覆率高，纯度高，比容量高，循环稳定。
Claims (7)
1.一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆，同步进行是指在溶胶凝胶法合成镍锰酸锂的过程中滴加配置的石墨烯薄片的二甲基甲酰胺溶液，随制得镍锰酸锂材料的同时完成石墨烯包覆，再用高温煅烧去除有机盐，其特征为：所述的采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆的步骤如下：
(1)制备镍锰酸锂前躯体；
(2)配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液；
(3)将步骤(2)获得的石墨烯二甲基甲酰胺溶液滴加到步骤(1)获得的镍锰酸锂前躯体中超声，挥干获得混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体；
(4)煅烧步骤(3)获得的混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体制备获得锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，其特征为所述的采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆的步骤如下：
(1)制备镍锰酸锂前躯体
将镍、锰、锂的有机盐于蒸馏水中溶解，加入一种或一种以上凝胶辅助剂，将溶液加热控温并恒定磁力搅拌进行反应；
(2)配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液
将石墨烯薄片定量分散在控温的二甲基甲酰胺溶液中；
(3)配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤(2)中配置的石墨烯薄片的二甲基甲酰胺溶液定量滴加到步骤(1)最后获得的反应液中，超声，超声之后升温并控温使得水蒸发以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将绿色粘性前躯体控温真空干燥获得干燥的前躯体；
(4)煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤(3)中获得的干燥的前躯体预煅烧，然后再煅烧，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
3.如权利要求2所述的一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，其特征为所述的采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆的步骤如下：
(1)制备镍锰酸锂前躯体
将镍、锰、锂的有机盐于50-150ml蒸馏水中溶解，加入一种或一种以上凝胶辅助剂，将溶液加热并控温在40-80℃恒定磁力搅拌进行反应，反应进行2-6h；
(2)配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液
将石墨烯薄片分散在110-170℃的二甲基甲酰胺溶液中；
(3)配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤(2)中配置的石墨烯薄片的二甲基甲酰胺溶液滴加到步骤(1)最终获得的反应液中，超声2-4h，超声之后将反应液升温至90-150℃使得水蒸发以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将体系在120-150℃真空干燥获得干燥的前躯体；
(4)煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤(3)制备获得的干燥的前躯体在300-600℃预煅烧2-5h，然后于700-900℃条件下煅烧6-10h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
4.如权利要求3所述的一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，其特征为所述的采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆的步骤如下：
(1)制备镍锰酸锂前躯体
称取乙酸镍(C4H6O4Ni·4H2O)12.44g(0.05mol)，乙酸锰(Mn(CH3COO)2)25.95g(0.15mol)，乙酸锂(C2H3LiO2)6.60g(0.1mol)，于50ml蒸馏水中混合，加入0.6g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和3ml柠檬酸，将溶液加热控温在40℃并恒定磁力搅拌，反应进行6h之后备用；
(2)配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液
称取0.08g石墨烯薄片分散在110℃的160g的二甲基甲酰胺溶液中并控温在110℃备用；
(3)配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤(2)中配置的石墨烯薄片的二甲基甲酰胺溶液定量滴加到步骤(1)制备获得的反应液中，超声2h获得多组分体系，超声之后将多组分体系升温至90℃将多组分体系中的水蒸发干以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将多组分体系在120℃真空干燥获得干燥的前躯体；
(4)煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤(3)获得的干燥的前躯体在400℃预煅烧3h，然后于800℃条件下煅烧8h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
5.如权利要求3所述的一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，其特征为所述的采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆的步骤如下：
(1)制备镍锰酸锂前躯体
称取草酸镍(C2O4·Ni)14.67g(0.1mol)，草酸锰(MnC2O4)42.89g(0.3mol)，草酸锂(Li2C2O4)10.19g(0.1mol)，于100ml蒸馏水中混合，加入1.0g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和6ml柠檬酸，将溶液加热控温在60℃并恒定磁力搅拌，反应进行3.5h之后备用；
(2)配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液
称取0.16g石墨烯薄片分散在160℃的300g的二甲基甲酰胺溶液中并控温在160℃备用；
(3)配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤(2)中配置的石墨烯薄片的二甲基甲酰胺溶液定量滴加到步骤(1)中制备获得的反应液中，超声2h获得多组分体系，超声之后将多组分体系升温至100℃将体系中的水蒸发干以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将多组分体系在130℃真空干燥获得干燥的前躯体；
(4)煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤(3)中制备获得的干燥的前躯体在300℃预煅烧5h，然后于900℃条件下煅烧6h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
6.如权利要求3所述的一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，其特征为所述的采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料镍锰酸锂时同步进行石墨烯的包覆的步骤如下：
(1)制备镍锰酸锂前躯体
称取草酸镍(C2O4·Ni)22.01g(0.15mol)，草酸锰(MnC2O4)64.34g(0.45mol)，乙酸锂(C2H3LiO2)19.80g(0.3mol)，于150ml蒸馏水中混合，加入1.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和9ml柠檬酸，将溶液加热控温在80℃并恒定磁力搅拌，反应进行2h之后备用；
(2)配置石墨烯二甲基甲酰胺溶液
称取0.24g石墨烯薄片分散在170℃的450g的二甲基甲酰胺溶液中并控温在170℃备用；
(3)配置均匀混有石墨烯薄片的镍锰酸锂前驱体
将步骤(2)中配置的石墨烯薄片的二甲基甲酰胺溶液定量滴加到步骤(1)中制备获得的反应液中，超声4h获得多组分体系，超声之后将多组分体系升温至100℃将体系中的水蒸发干以获得混有黑色的绿色粘性前躯体，然后将多组分体系在150℃真空干燥获得干燥的前躯体；
(4)煅烧制备锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂
将步骤(3)中制备获得的干燥的前躯体在600℃预煅烧2h，然后于700℃条件下煅烧10h，随炉冷却至室温后研磨过筛得由石墨烯包覆的镍锰酸锂材料。
7.如权利要求3-6任意一项所述的一种锂离子电池正极材料石墨烯包覆的镍锰酸锂的制备方法，其特征为：石墨烯片层的厚度为1-10层。
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