一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料及制备方法和应用技术

一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料及制备方法和应用，涉及锂离子电池正极材料领域。将柔性导电聚合物和富锂正极材料称取制备打印墨水，再加入导电剂乙炔黑的分散液进行混合，采用新型喷墨打印技术和机械分散技术为富锂正极材料构建起柔性可支撑保护的聚合物基体骨架，该骨架能够缓解体积膨胀带来的机械应力，同时聚合物本身具有导电性能，能够提高其电化学性能。本发明专利技术采用技术成本低，简单易行，易实现工业化制备。

【技术实现步骤摘要】
一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料及制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池正极材料领域，具体地，涉及柔性聚合物修饰改性富锂正极材料{xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(0<x<1)}的制备方法和应用。
技术介绍
为了满足日益增长的对电子产品小型化、多样性和可变性的需求，柔性可穿戴的便携式电子产品成为未来发展的趋势。相对于传统移动电子设备，柔性电子设备除了可随意弯折外，还可通过感知所受到应力等变化，来实现特定功能。目前电子产品供电的电化学装置，主要包括电池和超级电容器，对其中电极材料的灵活弯折柔性和机械形变性能要求较高。为满足未来柔性电子的技术要求，我们需要探究一种柔性和机械性能且电化学性能都较好的新型储能电极材料。近些年，富锂正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M＝Ni,Co,Mn,Fe)因其具有高比容量(～200mAh/g)、优秀的循环能力以及新的电化学充放电机制等优点而受到广泛关注,使得其应用具有很大的潜力，但是富锂材料在循环过程中受变形应力破坏制约了其发展的瓶颈。其作为电极材料时，锂离子的反复嵌入和脱出过程中会有巨大的体积膨胀，导致材料的机械稳定性逐渐降低，电极材料逐渐粉化、脱落直至失效，结构遭到破坏，接触电阻增大，容量快速的衰减，因而严重制约了其产业化的应用。电极材料膨胀受约束或者膨胀不均匀时引起的内应力超过临界值时造成电极材料粉化失效。同时膨胀造成隔膜压缩变形导致孔隙率和孔径减小，进而引起锂离子迁移不均匀和内阻增大。针对富锂正极材料，为了改善其结构特性，我们需要构建一个具有柔性和机械变形性能好的材料作为基体骨架，该骨架能够在一定程度上缓解电极材料膨胀带来的机械应力变化。鉴于导电聚合物所具有良好的电学和光学特性，以及与金属和无机半导体材料相比，突出的柔韧性、可加工性，以及价格、质量方面的优势，使其具有广阔的发展应用前景。目前常见的导电聚合物包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚并苯、聚对苯等，其形貌有一维的纳米线/管，二维的片状等，其结构性能稳定且机械柔性较好，利用其这一特征，构建柔性导电基体骨架与电极材料复合，使其能够有效支撑改性电极材料。制备的复合材料在循环过程中保持结构稳定，同时能够缓冲电极材料在锂离子的嵌入和脱出时的体积变化效应，减小材料所受到的应力。此外，导电聚合物本身具有导电性和脱嵌锂的特性，能够提高电极材料的整体电子的快速转移以及锂离子的扩散速率，进而提高了其整体的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是用于制备xLi2MnO3·(1-x)LiMO2/柔性聚合物复合材料在电化学性能和力学性能改进的方法，提出构建柔性导电聚合物基体骨架与富锂正极材料的复合，富锂正极材料电极经过适当的电化学性能和力学性能的改进，使其在移动电子领域得到广泛应用。本专利技术设计的构建柔性导电聚合物骨架分别为柔性聚合物纳米线/管和聚合物薄膜与富锂正极材料复合，能够提高其形变能力，并赋予电极材料一定的可延展性能，适应膨胀带来的机械应力。一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料的制备方法，通过喷墨打印技术和机械分散技术制备xLi2MnO3·(1-x)LiMO2/柔性导电聚合物复合材料，进一步改进电化学性能和力学性能，其特征在于，包括以下步骤：(1)将合成好的富锂正极材料即xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M＝Ni,Co,Mn,Fe，0＜x＜1)和柔性导电聚合物混合配成打印墨水，即富锂正极材料分散液和柔性导电聚合物分散液；按照质量比为(10-30)：(90-70)(两者质量之和为100，优选10:90)的柔性导电聚合物和富锂正极材料称取，混合后，超声30-60min，再进行高能球磨3-6h，转速200-300r/min，得到xLi2MnO3·(1-x)LiMO2/柔性导电聚合物复合材料分散液；进一步：先制备富锂正极材料分散液和柔性导电聚合物分散液；制备富锂正极材料分散液：每10-20mL蒸馏水/乙醇/乙二醇/氮甲基吡咯烷酮混合溶液中加入40-60mg空间位阻型聚合物分散剂Synde-146(具体为含胺锚固基团高分子分散剂，珠海先德新材料科技有限公司)，超声10-30min，搅拌30-60min后，加入500-1000mg富锂正极材料，超声30-40min并在高能球磨机中球磨6-12h，转速300-360r/min，得到富锂正极材料分散液；柔性导电聚合物分散液：每10-20mL蒸馏水/乙醇/乙二醇/氮甲基吡咯烷酮混合溶液中加入40-60mg空间位阻型聚合物分散剂Synde-146(具体为含胺锚固基团高分子分散剂，珠海先德新材料科技有限公司)，超声10-30min，搅拌30-60min后，加入500-1000mg柔性导电聚合物，超声30-40min并在高能球磨机中球磨6-12h，转速300-360r/min，得到柔性导电聚合物分散液；将富锂正极材料分散液和柔性导电聚合物分散液进行再次分散共混；然后再进行超声、研磨。(2)配制含有导电剂乙炔黑的分散液：每10-20mL蒸馏水/乙醇/乙二醇/氮甲基吡咯烷酮混合溶液中加入40-60mg空间位阻型聚合物分散剂Synde-146(具体为含胺锚固基团高分子分散剂，珠海先德新材料科技有限公司)，超声10-30min，搅拌30-60min后，加入30-35mg导电剂乙炔黑，超声30-40min并在高能球磨机中球磨6-12h，转速300-360r/min，得到含有导电剂乙炔黑分散液；(3)将步骤(1)打印墨水和步骤(2)中的分散液按体积比(1-1.5)：(1.5-2)混合，加入一定量的水溶性粘合剂，超声分散10-20min，得到含有导电剂的打印墨水，装入到离心试管中，封装；(4)将步骤(3)得到的含有导电剂的打印墨水放入墨盒中，进行喷墨打印，打印到铝箔纸上，喷墨层数10-20层，放入真空烘箱中先60-80℃烘干，再100-120℃真空烘干，接下来用电动辊压机压实，得到富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料。进一步优选蒸馏水/乙醇/乙二醇/氮甲基吡咯烷酮的体积比为5:2:2:1柔性导电聚合物选自柔性聚合物纳米线、柔性聚合物纳米管、柔性聚合物薄膜。本专利技术的富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料作为锂离子电池正极材料的用途。本专利技术具有以下优点：A：从合成工艺上，方法新颖，简单易行，原料成本低廉，较快捷的实现大规模的工业化生产。B：从结构设计上，本专利技术利用聚合物自身机械柔性优良，环境稳定性好，又具有导电性等特点。通过新颖的喷墨打印技术和机械分散技术构建起柔性的可支撑电极材料的基体骨架，为体积膨胀提供了缓解的空间，缓解了体积膨胀带来的机械应力，抑制长循环过程中的结构变化。与此同时，聚合物本身也是一个电极材料，能够有效脱嵌锂离子，本专利技术将xLi2MnO3·(1-x)LiMO2和导电聚合物复合，构成新的复合材料。该复合材料不仅在力学方面得到改进，同时改善了电化学性能。附图说明：图1为对比例原始富锂正极材料和实施例1复合材料的XRD图：原始材料LFMO(a)和复合材料LFMO@PPy(b)的XRD图。图2为对比例原始富锂正极材料和实施例1复合材料的SEM图：PPynanowires(a),LFMO(b),和LFMO@PPy(c)的扫描电镜图。图3为对比例原本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将合成好的富锂正极材料即xLi

【技术特征摘要】
1.一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将合成好的富锂正极材料即xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M＝Ni,Co,Mn,Fe，0＜x＜1)和柔性导电聚合物混合配成打印墨水，即富锂正极材料分散液和柔性导电聚合物分散液；按照质量比为(10-30)：(90-70)的柔性导电聚合物和富锂正极材料称取，混合后，超声30-60min，再进行高能球磨3-6h，转速200-300r/min，得到xLi2MnO3·(1-x)LiMO2/柔性导电聚合物复合材料分散液；(2)配制含有导电剂乙炔黑的分散液：每10-20mL蒸馏水/乙醇/乙二醇/氮甲基吡咯烷酮混合溶液中加入40-60mg空间位阻型聚合物分散剂Synde-146，超声10-30min，搅拌30-60min后，加入30-35mg导电剂乙炔黑，超声30-40min并在高能球磨机中球磨6-12h，转速300-360r/min，得到含有导电剂乙炔黑分散液；(3)将步骤(1)打印墨水和步骤(2)中的分散液按体积比(1-1.5)：(1.5-2)混合，加入一定量的水溶性粘合剂，超声分散10-20min，得到含有导电剂的打印墨水，装入到离心试管中，封装；(4)将步骤(3)得到的含有导电剂的打印墨水放入墨盒中，进行喷墨打印，打印到铝箔纸上，喷墨层数10-20层，放入真空烘箱中先60-80℃烘干，再100-120℃真空烘干，接下来用电动辊压机压实，得到富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料。2.按照权利要求1所述的一种富锂正极材料/导电柔性聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)先制备富锂正极材料分散液和...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵煜娟，吕志，李钒，徐涛，李婧霞，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11