复合正极材料及其制备方法、锂离子电池技术

本申请涉及正极材料领域，提供一种复合正极材料及其制备方法、锂离子电池，复合正极材料包括内核及位于所述内核表面的石墨烯包覆层；内核具有夹层结构，所述内核包括至少两层石墨骨架层及夹设于所述至少两层石墨骨架层之间的磷酸铁锂，所述磷酸铁锂表面包覆石墨烯。本申请的复合正极材料及其制备方法、锂离子电池，能够在低温环境下有效提高锂电池的倍率性能及循环稳定性。率性能及循环稳定性。率性能及循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
复合正极材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本申请涉及正极材料
，具体地讲，涉及复合正极材料及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]磷酸铁锂材料因具备热稳定性好、循环寿命长、环境友好，原料来源丰富等优势，是目前最具应用潜力的动力锂离子电池正极材料。然而，由于电子导电率低和离子扩散速率慢等固有缺陷，导致倍率性能差，限制了其在动力电池中的实际应用。迄今为止，诸多工作围绕以上问题进展开了研究，并且取得了不同程度的研究进展，但仍与实际需求有一定的差距。近期，随着石墨烯材料的兴起，将其与磷酸铁锂复合，构建磷酸铁锂/石墨烯三维结构复合材料被证实能够有效改善电极材料的电化学性能。开发行之有效的制备方法以实现石墨烯与磷酸铁锂之间的有机结合，揭示不同储能机制组分间的协同效应机理，是磷酸铁锂/石墨烯复合材料研究的关键，也是本领域的研究热点和难点。

技术实现思路

[0003]鉴于此，本申请提出复合正极材料及其制备方法、锂离子电池，能够提高石墨烯与磷酸铁锂之间的各向同性，提高材料的电子导电率，提高材料的倍率性能和循环稳定性。
[0004]第一方面，本申请实施例提供一种复合正极材料，所述复合正极材料包括内核及位于所述内核表面的石墨烯包覆层；其中，所述内核具有夹层结构，所述内核包括至少两层石墨骨架层及夹设于所述至少两层石墨骨架层之间的磷酸铁锂，所述磷酸铁锂表面包覆石墨烯。
[0005]本申请提供的复合正极材料，内核包括石墨骨架层以及夹设于石墨骨架层之间的磷酸铁锂，有利于统一内核的取向，有利于锂离子的迁移；在磷酸铁锂表面包覆石墨烯，可以提高磷酸铁锂与石墨骨架层之间的电子导电率，有利于锂离子从不同方向上迁移至磷酸铁锂。可以理解地，由于内核具有夹层结构，内核各个方向上导电性不一致，通过包覆在内核表面的石墨烯包覆层来进一步提高内核的各向同性，使得材料的电子导电率大大提高，同时电解液中的锂离子能够从内核表面的各个方向传导进入内核内部的磷酸铁锂上，从而提高材料的倍率特性和循环稳定性。
[0006]在一种可行的实施方式中，所述石墨骨架层由膨胀石墨膨胀后形成。
[0007]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨包括鳞片膨胀石墨或微晶膨胀石墨中的至少一种。
[0008]在一种可行的实施方式中，所述至少两层石墨骨架层呈手风琴状结构或蠕虫状结构。
[0009]在一种可行的实施方式中，相邻两层石墨骨架层的层间距为1μm～20μm。
[0010]在一种可行的实施方式中，所述石墨骨架层的粒径为0.1μm～10μm。
[0011]在一种可行的实施方式中，所述磷酸铁锂的平均粒径为20nm～200nm。
[0012]在一种可行的实施方式中，所述磷酸铁锂表面的石墨烯的厚度为H1，H1≤3nm。
[0013]在一种可行的实施方式中，所述石墨烯包覆层的厚度为H2，H2≤3nm。
[0014]在一种可行的实施方式中，所述复合正极材料的平均粒径为5μm～15μm。
[0015]在一种可行的实施方式中，所述复合正极材料中的碳的质量百分比含量为3％～5％。
[0016]在一种可行的实施方式中，在温度
‑
30℃～30℃下，所述复合正极材料在25MPa加压下的粉体电导率大于700S/cm。
[0017]在一种可行的实施方式中，所述复合正极材料的比表面积为20m2/g～50m2/g。
[0018]第二方面，本申请实施例提供一种复合正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0019]将铁酞菁、膨胀石墨、表面活性剂和水混合，得到前驱体溶液；
[0020]将所述前驱体溶液与氢氧化铁胶体溶液进行混合、干燥、整形得到正极材料前驱体；
[0021]将所述正极材料前驱体、锂盐加入含磷酸根离子的石墨烯分散溶液中进行反应，反应产物进行烧结，得到复合正极材料。
[0022]第三方面，本申请实施例提供一种复合正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0023]将铁酞菁、膨胀石墨、表面活性剂和水混合，得到前驱体溶液；
[0024]将所述前驱体溶液与含锂盐与氢氧化铁的胶体溶液进行混合、干燥、整形得到正极材料前驱体；
[0025]将所述正极材料前驱体加入含磷酸根离子的石墨烯分散溶液中进行反应，反应产物进行烧结，得到复合正极材料。
[0026]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨与所述铁酞菁的质量比为1：(0.01～0.1)。
[0027]在一种可行的实施方式中，所述表面活性剂包括纳米碳基表面活性剂，所述纳米碳基表面活性剂包括氧化石墨烯量子点、碳量子点、聚合物量子点和石墨炔量子点中的至少一种。
[0028]在一种可行的实施方式中，所述表面活性剂包括氧化石墨烯，所述氧化石墨烯的平均粒径≤1μm；和/或所述氧化石墨烯的含氧量≤60％。
[0029]在一种可行的实施方式中，所述表面活性剂包括氧化石墨烯，所述膨胀石墨与所述氧化石墨烯的质量比为1：(0.01～0.1)。
[0030]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨的长度为1μm～100μm。
[0031]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨的粒径为0.1μm～100μm。
[0032]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨的膨胀倍数为150～500倍。
[0033]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨的含碳量≥98％。
[0034]在一种可行的实施方式中，得到所述前驱体溶液的条件为：在60℃～100℃下搅拌1h～5h，控制搅拌线速度1m/s～15m/s。
[0035]在一种可行的实施方式中，所述膨胀石墨与所述氢氧化铁的质量比为1：(50～100)。
[0036]在一种可行的实施方式中，得到所述正极材料前驱体的干燥条件为：在100℃～250℃下干燥1h～5h。
[0037]在一种可行的实施方式中，得到所述正极材料前驱体的干燥方式包括喷雾干燥、流化床干燥、真空干燥或鼓风干燥中的至少一种。
[0038]在一种可行的实施方式中，所述整形包括粉碎、球磨或分级中的至少一种。
[0039]在一种可行的实施方式中，在将所述正极材料前驱体加入含磷酸根离子的石墨烯分散溶液中进行反应之前，所述方法还包括：
[0040]将含磷酸根离子的化合物、石墨烯粉末、表面活性剂与水混合，形成含磷酸根离子的石墨烯分散溶液。
[0041]在一种可行的实施方式中，所述含磷酸根离子的化合物包括磷酸氢盐、磷酸盐或磷酸中的至少一种。
[0042]在一种可行的实施方式中，所述表面活性剂为纳米碳基表面活性剂，所述纳米碳基表面活性剂包括氧化石墨烯量子点、碳量子点、聚合物量子点和石墨炔量子点中的至少一种。
[0043]在一种可行的实施方式中，所述石墨烯粉末与所述表面活性剂的质量比为1：(0.01～0.1)。
[0044]在一种可行的实施方式中，所述石墨烯分散溶液中的磷酸根离子的浓度为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合正极材料，其特征在于，所述复合正极材料包括内核及位于所述内核表面的石墨烯包覆层；其中，所述内核具有夹层结构，所述内核包括至少两层石墨骨架层及夹设于所述至少两层石墨骨架层之间的磷酸铁锂，所述磷酸铁锂表面包覆石墨烯。2.根据权利要求1所述的复合正极材料，其特征在于，其满足以下条件a～l的至少一者：a.所述石墨骨架层由膨胀石墨膨胀后形成；b.所述膨胀石墨包括鳞片膨胀石墨或微晶膨胀石墨中的至少一种；c.所述至少两层石墨骨架层呈手风琴状结构或蠕虫状结构；d.相邻两层石墨骨架层的层间距为1μm～20μm；e.所述石墨骨架层的粒径为0.1μm～10μm；f.所述磷酸铁锂的平均粒径为20nm～200nm；g.所述磷酸铁锂表面的石墨烯的厚度为H1，H1≤3nm；h.所述石墨烯包覆层的厚度为H2，H2≤3nm；i.所述复合正极材料的平均粒径为5μm～15μm；j.所述复合正极材料中的碳的质量百分比含量为3％～5％；k.在温度
‑
30℃～30℃下，所述复合正极材料在25MPa加压下的粉体电导率大于700S/cm；l.所述复合正极材料的比表面积为20m2/g～50m2/g。3.一种复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将铁酞菁、膨胀石墨、表面活性剂和水混合，得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液与氢氧化铁胶体溶液进行混合、干燥、整形得到正极材料前驱体；将所述正极材料前驱体、锂盐加入含磷酸根离子的石墨烯分散溶液中进行反应，反应产物进行烧结，得到复合正极材料。4.一种复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将铁酞菁、膨胀石墨、表面活性剂和水混合，得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液与含锂盐与氢氧化铁的胶体溶液进行混合、干燥、整形得到正极材料前驱体；将所述正极材料前驱体加入含磷酸根离子的石墨烯分散溶液中进行反应，反应产物进行烧结，得到复合正极材料。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，其满足以下条件a～f的至少一者：a.所述膨胀石墨与所述铁酞菁的质量比为1：(0.01～0.1)；b.所述表面活性剂包括纳米碳基表面活性剂，所述纳米碳基表面活性剂包括氧化石墨烯量子点、碳量子点、聚合物量子点和石墨炔量子点中的至少一种；c.所述表面活性剂包括氧化石墨烯，所述氧化石墨烯的平均粒径≤1μm；和/或所述氧化石墨烯的含氧量≤60％；d.所述表面活性剂包括氧化石墨烯，所述膨胀石墨与所述氧化石墨烯的质量比为1：(0.01～0.1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：周泉竹，李少军，蒋飞，王张健，唐婕，林锦盛，李子坤，黄友元，
申请(专利权)人：深圳市先进石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：