一种正极材料、及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种正极材料、及其制备方法和用途，所述正极材料包括基体材料和设置于所述基体材料表面的碳量子点和氧化物量子点。所述正极材料的制备方法包括如下步骤：(1)将碳源、金属盐和溶剂混合，得到混合溶液；(2)在所述混合溶液中加入基体材料，得到前驱体溶液；(3)将所述前驱体溶液进行微波处理，得到正极材料。本发明专利技术采用碳量子点和氧化物量子点对基体材料表面进行修饰，相对于现有技术中的全覆盖包覆，本发明专利技术的包覆量较少，对基体材料的比容量影响较小，且成本较低。

A cathode material, its preparation method and Application

The invention relates to a cathode material, a preparation method and a use thereof, comprising a matrix material and carbon quantum dots and oxide quantum dots arranged on the surface of the matrix material. The preparation method of the cathode material comprises the following steps: (1) mixing carbon source, metal salt and solvent to obtain a mixed solution; (2) adding matrix material to the mixed solution to obtain a precursor solution; (3) microwave treatment of the precursor solution to obtain a cathode material. The invention uses carbon quantum dots and oxide quantum dots to modify the surface of the matrix material. Compared with the full coverage coating in the prior art, the coating amount of the invention is less, the specific capacity of the matrix material is less affected, and the cost is lower.

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料、及其制备方法和用途
本专利技术属于电池材料
，具体涉及一种正极材料、及其制备方法和用途。
技术介绍
近年来，锂离子电池的发展主要朝向高能量密度和高功率密度两个方向。镍钴锰三元正极材料综合了镍酸锂的高容量、低成本，钴酸锂的高压实，锰酸锂的高安全性、高稳定性的特点，获得了广泛的研究。目前制约着镍钴锰三元正极材料，特别是高镍三元正极材料发展的主要因素是安全性问题，镍钴锰三元正极材料由于表面碱含量过高，容易引起电池胀气，泄露等安全隐患；同时由于三元正极材料结构的不稳定性，容易脱出氧气，氧气与电池内大量可燃性有机电解液反应，造成自燃。CN108428873A公开了一种Al2O3包覆的镍钴铝三元锂离子电池正极材料，包括镍钴铝酸锂材料以及包覆在所述镍钴铝酸锂材料表面的Al2O3，所述正极材料的制备方法包括：将三元正极材料前驱体Ni1-x-yCoxAly(OH)2+y烧结；将烧结所得物加入锂源进行烧结；最后添加包覆材料Al2O3进行烧结，得到目标产物。所述制备方法得到的正极材料循环性能良好，但其容量较低。CN104393277B公开了一种表面包覆金属氧化物的锂离子三元正极材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将金属盐溶液与正极材料混合，然后加入碱金属氢氧化物的水溶液，调节溶液的pH值至7～12，过滤，烘干，得到表面包覆氢氧化物的正极材料，进一步热处理得到表面包覆金属氧化物的三元正极材料。所述正极材料在制备过程中，氢氧化物与金属盐发生的絮凝反应在微观上是不均匀的，难以获得均匀的氧化物包覆层，进而得到的正极材料电化学性能较差。CN108258226A公开了一种碳包覆三元正极材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：利用化学气相沉积设备将有机碳源通入至反应室中，有机碳源经催化器分解生成纳米碳材料，随后通过气相沉积使纳米碳材料沉积在三元正极材料表面，并通过球磨使纳米碳材料均匀分布在三元正极材料的表面，得到碳包覆三元正极材料，所述碳材料在三元材料表面的包覆量较高，影响材料比容量的发挥，且制备过程复杂，成本较高，难以工业化生产。因此，本领域需要开发一种正极材料，使其具有良好的电化学性能，并且制备过程简单，可工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术中三元正极材料稳定性和安全性较差的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种正极材料，所述正极材料包括基体材料和设置于所述基体材料表面的碳量子点和氧化物量子点。本专利技术所述正极材料中碳量子点的存在，一方面赋予正极材料良好的导电性；另一方面具有钝化晶界缺陷的作用，降低材料表面对水分和二氧化碳的敏感性，进而降低材料表面碱含量，提高正极材料的电化学性能和安全性能。氧化物量子点的存在，可以增强表面晶格的稳定性，进一步提高正极材料的电化学性能，所述正极材料循环200周容量保持率≥94.3％，倍率性能良好，10C/1C比值≥80.9％，0.2C电流密度下放电比容量≥200.2mAh/g。本专利技术采用碳量子点和氧化物量子点对基体材料表面进行修饰，相对于现有技术中的全覆盖包覆，本专利技术的包覆量较少，对基体材料的比容量影响较小，且成本较低。优选地，所述正极材料中碳量子点的质量百分比为0.1～3％，例如0.3％、0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.3％、2.5％、2.8％等。本专利技术正极材料中碳量子点的质量百分比小于0.1％时，得到的正极材料导电性较差且碱含量较高，进而得到的正极材料电化学性能较差；正极材料中碳量子点的质量百分比大于3％时，因碳材料电化学活性较差，容量较低，进而得到的正极材料比容量较低。优选地，所述正极材料中氧化物量子点的质量百分比为0.1～3％，例如0.3％、0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.3％、2.5％、2.8％等。本专利技术正极材料中氧化物量子点的质量百分比小于0.1％时，得到的正极材料表面结构稳定性较差；正极材料中氧化物量子点的质量百分比大于3％时，因氧化物在循环过程中的体积膨胀明显，且当基体材料为三元材料时，氧化物在三元材料的充放电电压下电化学活性较差，进而得到的正极材料循环稳定性较差，比容量较低。优选地，所述氧化物量子点包括氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化钛和氧化钒中的任意一种或至少两种的组合，例如氧化铝、氧化锆、氧化铈等。优选地，所述氧化物量子点的粒径为0.1～5nm，例如0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm等。优选地，所述碳量子点的粒径为0.1～5nm，例如0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm等。优选地，所述基体材料包括镍钴锰酸锂三元正极材料和/或镍钴铝酸锂三元正极材料。优选地，所述基体材料的粒径为5～15μm，例如6μm、7μm、8μm、10μm、12μm、13μm、14μm等。本专利技术的目的之二是提供一种正极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将碳源、金属盐和溶剂混合，得到混合溶液；(2)在所述混合溶液中加入基体材料，得到前驱体溶液；(3)将所述前驱体溶液进行微波处理，得到正极材料。本专利技术采用微波热解法制备正极材料，将液相的所述前驱体溶液进行微波处理，进而碳源能够在基体材料表面被分解形成碳量子点，金属盐能够在基体材料表面被分解形成氧化物量子点，液相原位反应可以使得碳量子点和氧化物量子点在基体材料的表面分布更加均匀，得到的正极材料电化学性能良好。优选地，步骤(3)所述微波处理的功率为500～3000W，例如800W、1000W、1200W、1500W、1800W、2000W、2200W、2500W、2800W等。本专利技术所述微波处理的功率小于500W时，碳源在基体材料表面不能完全被分解形成碳量子点，金属盐在基体材料表面不能完全被分解形成氧化物量子点，进而造成碳材料和氧化物分布不均，影响正极材料的电化学性能；所述微波处理的功率大于3000W时，反应过快，进而体系的温度升高过快，碳材料容易发生过分氧化或着火。优选地，所述微波处理的时间为10min～60min，例如15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min等。本专利技术所述微波处理的时间小于10min时，碳源在基体材料表面不能完全被分解形成碳量子点，金属盐在基体材料表面不能完全被分解形成氧化物量子点，进而造成碳材料和氧化物分布不均，影响正极材料的电化学性能；微波处理的时间大于60min时，碳材料容易发生过分氧化。优选地，所述微波处理的温度为100～300℃，例如150℃、200℃、250℃、280℃等。本专利技术采用微波处理的温度较低，进而保证金属盐中的金属离子不会进入到基体材料晶格中，保证基体材料结构的稳定性，同时温度较低可以防止碳材料还原三元正极材料；三元材料表面的金属氧化物量子点可以稳定三元正极材料的表面晶格，防止三元材料中氧的脱出，得到的正极材料结构稳定性较高。优选地，所述微波处理的气氛包括空气气氛和/或氧气气氛。本专利技术在制备过程中的气氛为包含氧气存在的气氛，进而保证反应过程中基体材料中的镍、钴、锰金属离子不会被碳还原。优选地，步骤(1)所述混合溶液中碳源的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L，例如0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括基体材料和设置于所述基体材料表面的碳量子点和氧化物量子点。

【技术特征摘要】
1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括基体材料和设置于所述基体材料表面的碳量子点和氧化物量子点。2.如权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料中碳量子点的质量百分比为0.1～3％；优选地，所述正极材料中氧化物量子点的质量百分比为0.1～3％。3.如权利要求1或2所述的正极材料，其特征在于，所述氧化物量子点包括氧化铝、氧化锆、氧化铈、氧化钛和氧化钒中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述氧化物量子点的粒径为0.1～5nm；优选地，所述碳量子点的粒径为0.1～5nm；优选地，所述基体材料包括镍钴锰酸锂三元正极材料和/或镍钴铝酸锂三元正极材料；优选地，所述基体材料的粒径为5～15μm。4.一种如权利要求1-3之一所述正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将碳源、金属盐和溶剂混合，得到混合溶液；(2)在所述混合溶液中加入基体材料，得到前驱体溶液；(3)将所述前驱体溶液进行微波处理，得到正极材料。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述微波处理的功率为500～3000W；优选地，所述微波处理的时间为10min～60min；优选地，所述微波处理的温度为100～300℃；优选地，所述微波处理的气氛包括空气气氛和/或氧气气氛。6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合溶液中碳源的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L；优选地，所述金属盐的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。7.如权利要求4-6之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碳源包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，王鹏飞，
申请(专利权)人：中科廊坊过程工程研究院，中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13