CN106784671A - 一种锂离子电池正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种锂离子电池正极材料的制备方法，该方法首先通过超声振荡的方式制备出片径尺寸一致、分散良好的单分散石墨烯溶液，然后将石墨烯溶液转移到高速剪切乳化均质机中进行剪切分散，剪切后的石墨烯溶液与正极活性材料一同装进氧化锆球磨罐中进行球磨混合。通过机械球磨的方式将石墨烯溶液与正极活性材料混合，能使石墨烯镶嵌于或包覆住正极活性材料颗粒，能形成良好的结合界面，同时细化了正极材料颗粒，使材料更均匀，提高了材料的倍率性和一致性。最后将球磨后的正极浆料干燥、粉碎、过筛得到正极材料粉末。

Description

一种锂离子电池正极材料的制备方法
技术领域
本发明是一种锂离子电池正极材料的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
在锂离子电池充电过程中，Li+从正极脱出，释放电子，Li+经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷从外电路转移到负极维持电荷平衡；电池放电时，电子从负极经外部电路到达正极，在电池内部，Li+向正极迁移，嵌入到正极，并由外电路得到电子。因此，电池的充放电过程伴随着Li+及电子的扩散、传输过程，而Li+及电子的扩散、传输速度就直接决定着电池的各项电化学性能。
随着社会的发展，人们对锂离子电池的性能要求越来越高。尤其对于动力锂离子电池，要求续航能力强、充放电功率大、循环性能好等。正极材料作为动力电池的核心关键材料，占据电池制造成本的25％以上，其性能直接影响着电池的能量密度、循环寿命、安全性等主要性能，在锂离子电池中占据着核心地位。但目前商用的大部分正极活性材料，由于自身结构的限制，仍然难以满足要求，是发展高能量密度、高循环寿命、高倍率性能、快速充放电锂离子电池的瓶颈技术。因此，如何提高锂电正极材料的导电性，缩短Li+及电子的传输路径，加快Li+及电子的传输速度，改性正极材料进而满足锂电市场需求已成为研究热点。
石墨烯是一种新型二维纳米材料，具有超强的导电性能，是目前导电性最好的材料。同时具有超高的电子迁移率(200000cm2/V.S)、热导率(5000W/m.K)。利用石墨烯优异的导电性、超大的比表面积、独特的二维网络结构改性正极活性材料，将大大提高材料的导电性能，能有效缩短电池充放电过程中Li+及电子的传输路径,加快两者的传输速度。这对于提高锂电池的倍率性能、循环寿命、充电速度具有重要意义。
发明内容
本发明正是针对上述现有商用锂电正极材料性能的不足而设计提供了一种锂离子电池正极材料的制备方法，该方法利用石墨烯独特的二维结构及优异的导电性，改性目前商用的正极材料，提高锂电正极材料的倍率性能、循环寿命、充电速度等。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤一、单分散石墨烯溶液的制备
将石墨烯加入到酒精溶液中，利用超声振荡方式制备出单分散的石墨烯溶液，该溶液中石墨烯的重量百分比浓度为0.5％，所述酒精溶液的质量百分比浓度为20％～100％；
步骤二、将石墨烯溶液移至高速剪切乳化均质机中进行剪切分散，得到石墨稀均匀溶液，剪切乳化均质机的工作频率为20～60HZ，剪切时间为10min～60min。
步骤三、将正极活性材料粉末添加到石墨烯均匀溶液中，一同装进氧化锆球磨罐中进行球磨机械混合，球磨时间为10h～24h，得到混合浆料，所述正极活性材料粉末是磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂，正极活性材料粉末的加入量占石墨烯和正极活性材料粉末总质量的95％～99.9％；
步骤四、将混合浆料取出，放入烘箱中烘干，烘箱温度为50℃～100℃，烘干后的物料经过粉碎、过筛即得到正极活性材料/石墨烯复合材料粉末。
石墨烯的形状为纳米片，其外廓尺寸为10μm～20μm。
正极活性材料粉末为单晶或二次团聚体。
本发明中石墨烯对正极活性材料能形成良好的包覆效果，应用于锂离子电池，石墨烯与其他导电碳材料能形成三维导电网络，提高了正极活性物质的导电性，加快了电子与锂离子的传输速度。本发明简单易行，适用于工程化生产，能显著提高锂离子电池的循环性能、倍率性能、充放电速度等。
本发明方法还具有以下特点：
a.通过超声波振荡加剪切分散的方式，使石墨烯充分分散，同时将石墨烯片径剪切成适宜尺寸大小，利于实现石墨烯对活性正极材料颗粒一致、均匀的包覆。
b.将正极活性材料与石墨烯溶液一同装入氧化锆球磨罐中进行机械球磨，能实现石墨烯与正极活性材料颗粒的良好复合，同时材料颗粒细化，混合更均匀，提高了材料的倍率性和一致性。
本发明方案与现有技术相比，其优点是实现了石墨烯与正极活性材料的良好复合，本工艺简单，易于实现大批量正极活性材料/石墨烯复合材料的制备，且不影响目前商用正极材料的产业化技术，有利于工程应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
采用本发明方法制备LiFePO4/石墨烯复合材料的步骤如下：
步骤1：将1g石墨烯加入到200mL酒精溶液中，配制0.5wt％的石墨烯溶液。玻璃棒搅匀后用超声波振荡方式制备出单分散的石墨烯溶液；
步骤2：将石墨烯溶液移至高速剪切乳化均质机中进行剪切分散，得到石墨稀均匀溶液。频率设为30HZ，剪切时间为30min；
步骤3：:将100g正极活性材料粉末添加到石墨烯溶液中，一同装入氧化锆球磨罐通过球磨机械混合，混合时间为24h；
步骤4：将混合浆料取出，放入烘箱中烘干，烘箱温度为80℃；
步骤5：烘干后的材料经过粉碎、过400目筛即得到正极活性材料/石墨烯复合材料粉末。
实施例2
采用本发明方法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨烯复合材料的步骤如下：
步骤1：将1g石墨烯加入到200mL酒精溶液中，配制0.5wt％的石墨烯溶液。玻璃棒搅匀后用超声波振荡方式制备出单分散的石墨烯溶液；
步骤2：将石墨烯溶液移至高速剪切乳化均质机中进行剪切分散，得到石墨稀均匀溶液。频率设为30HZ，剪切时间为30min；
步骤3：:将100g正极活性材料粉末添加到石墨烯溶液中，一同装入氧化锆球磨罐通过球磨机械混合，混合时间为24h；
步骤4：将混合浆料取出，放入烘箱中烘干，烘箱温度为80℃；
步骤5：烘干后的材料经过粉碎、过400目筛即得到正极活性材料/石墨烯复合材料粉末。
实施例3
采用本发明方法制备LiNi0.8Co0.15Al0.05/石墨烯复合材料的步骤如下：
步骤1：将1g石墨烯加入到200mL酒精溶液中，配制0.5wt％的石墨烯溶液。玻璃棒搅匀后用超声波振荡方式制备出单分散的石墨烯溶液；
步骤2：将石墨烯溶液移至高速剪切乳化均质机中进行剪切分散，得到石墨稀均匀溶液。频率设为30HZ，剪切时间为30min；
步骤3：:将100g正极活性材料粉末添加到石墨烯溶液中，一同装入氧化锆球磨罐通过球磨机械混合，混合时间为24h；
步骤4：将混合浆料取出，放入烘箱中烘干，烘箱温度为80℃；
步骤5：烘干后的材料经过粉碎、过400目筛即得到正极活性材料/石墨烯复合材料粉末。
采用以上工艺制备的正极活性材料颗粒/石墨烯复合材料同未复合石墨烯的正极材料相比(做成锂离子电池进行性能测试)，0.1C充放电倍率下，比容量提高10mAh/g以上，20C充放电倍率下，比容量提高50mAh/g以上；100次循环后，电池容量衰减低于5％。

Claims (3)

1.一种锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤一、单分散石墨烯溶液的制备
将石墨烯加入到酒精溶液中，利用超声振荡方式制备出单分散的石墨烯溶液，该溶液中石墨烯的重量百分比浓度为0.5％，所述酒精溶液的质量百分比浓度为20％～100％；
步骤二、将石墨烯溶液移至高速剪切乳化均质机中进行剪切分散，得到石墨稀均匀溶液；
步骤三、将正极活性材料粉末添加到石墨烯均匀溶液中，一同装进氧化锆球磨罐中进行球磨机械混合，得到混合浆料，所述正极活性材料粉末是磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂，正极活性材料粉末的加入量占石墨烯和正极活性材料粉末总质量的95％～99.9％；
步骤四、将混合浆料取出，放入烘箱中烘干，烘干后的物料经过粉碎、过筛即得到正极活性材料/石墨烯复合材料粉末。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：石墨烯的形状为纳米片，其外廓尺寸为10μm～20μm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：正极活性材料粉末为单晶或二次团聚体。
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