一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料及制备方法技术

本发明专利技术适用于锂电池技术领域，提供一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料及制备方法，将氧化石墨、氮源分散于水中形成分散液，加入抗坏血酸加热形成凝胶；将适量三氧化钼和锂电三元材料加入上述混合凝胶中搅拌蒸干并于惰性气体氛围中煅烧，冷却后获得氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池三元正极材料。本发明专利技术三氧化钼和石墨烯凝胶在材料表面形成氮掺杂石墨烯和钼酸锂锂离子导体共包覆层，氮掺杂石墨烯良好的导电性能提高材料的电化学性能，抗坏血酸的使用还有助于降低部分残碱改善正极材料的加工性能，此外锂盐形式的包覆层可大大增加锂离子在电极材料中的扩散通道，提高锂离子的传输速率，从而改善材料的倍率性能。本方法工艺简单，电化学性能改善效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料及制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料及制备方法。
技术介绍
相比于其它电池体系，锂离子电池具有能量密度高、循环性能好和无记忆效应等优点，其作为一种重要的储能器件，已经广泛应用于便携式电子设备、电动工具及电动交通工具等领域。随着新能源汽车的迅速发展，对为其提供能量的锂离子电池提出了更高的要求，尤其是功率性能及循环性能的要求更为苛刻。锂离子电池中正极材料是影响电池性能的关键因素，理想的锂离子电池正极材料应当具备高容量、高倍率、高循环性能，同时还应具备环境友好和成本低等优势，然而，目前的锂离子电池正极材料还不能够很好地满足电动汽车对倍率性能、安全性能及循环性能的要求。目前报道的锂离子电池正极材料还不能很好的满足上述对锂离子电池的高要求，上述要求中容量性能和循环性能是评价电池正极材料好坏的关键指标，在目前的研究中，这两个指标往往难以同时满足，因此寻找同时满足高容量和好的循环性能的锂离子电池正极材料成为各研究者的主要目标。目前，三元正极材料，特别是高镍三元材料由于其成本优势和电性能特点逐渐成为研究热点。然而随着镍含量的增加，材料在电解液中的稳定性越差，所制备电池的循环性能越差。同时，较高的残碱不利于电池材料的加工。为了改善这些问题，对材料进行掺杂和包覆改性是有效的方法。其中，表面包覆是常用的改性手段，研究发现包覆层可作为保护层缓解电解液对正极材料的腐蚀，抑制结构坍塌、显著提高三元材料的循环稳定性和热稳定性。通过选择不同的包覆材料来实现三元正极材料热稳定性、倍率性能以及循环稳定性能的显著提升。常见的三元材料的包覆材料有碳材料、氧化物、氟化物、磷酸盐、锂化物及聚合物等(ZhouPF,ZhangZ,MengHJ,etal.Nanoscale,2016,8,19263-19269)。但目前大多数的包覆材料是锂“绝缘体”，通常在大倍率下材料的锂离子传输速率及其稳定性差，造成其倍率性能差，同时材料包覆不均一性显著影响材料的电性能发挥。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂离子三元正极材料及其制备方法，旨在解决现有镍钴锰酸锂三元材料的加工性能和充放电循环、倍率性能不很理想的技术问题。一方面，所述氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法包括下述步骤：1)将氧化石墨、氮源分散于水中形成分散液，加入抗坏血酸加热得到凝胶；2)取钼源、锂电三元材料加入所述凝胶中搅拌蒸干得到混合物料；3)将所述混合物料于惰性气氛中煅烧，冷却后获得氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料进一步的，步骤1)中，氧化石墨添加量为锂电池正极材料质量的0.1％～5％，所述分散液的浓度为0.1～5mg/mL，所述氮源为尿素或硫脲。进一步的，步骤1)中，加热得到凝胶的加热温度为50～100℃，加热时间为0.5～10h。进一步的，步骤2)中，钼元素的添加量为500～3000ppm。进一步的，步骤2)中，搅拌蒸干温度为80～100℃，时间为0.5～2h。进一步的，步骤3)中，惰性气体为氩气或氩气与氢气的混合气，煅烧温度为500～900℃，时间为3～12h。另一方面，所述氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料由上述方法制备得到，其内核为锂电三元材料，外层为氮掺杂石墨烯导电网络负载钼酸锂的复合包覆层。进一步的，所述锂电三元材料为NCM523、NCM622、NCM811中的一种。本专利技术的有益效果是：本专利技术在包覆过程利用石墨烯凝胶与钼源均匀分散于正极材料表面，在惰性氛围中实现氮掺杂石墨烯和钼酸锂同时生成；氮掺杂石墨烯的形成一方面在正极材料表面形成导电网络，氮掺杂有利于电子传输，特殊的网络结构有利于充放电循环过程中锂离子和电解质的传输，大大提高锂离子的传输速率，石墨烯凝胶所需抗坏血酸的加入有助于降低部分残碱，钼源与表面残碱反应也有助于降低残碱，提高材料的加工性能。此外，钼酸锂锂离子导体包覆层的形成有助于提高锂离子的传输性能，因此得到的正极材料电化学性能有较大的提高，循环稳定性和倍率性能都有所改善。附图说明图1是实施例一与对比例一的三元正极材料的循环图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供的氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法包括下述步骤：1)将氧化石墨、氮源分散于水中形成分散液，加入抗坏血酸加热得到凝胶。本专利技术最终制得的锂电池正极材料中，氮掺杂石墨烯的添加量以氧化石墨计算，氧化石墨添加量为锂电池正极材料质量的0.1％～5％，所述氧化石墨和氮源分散于水中得到的分散液的浓度为0.1～5mg/mL，所述氮源为尿素或硫脲。2)取钼源、锂电三元材料加入所述凝胶中搅拌蒸干得到混合物料。所述钼源为三氧化钼，其中钼元素的添加量为500～3000ppm，即按质量含比钼元素占锂电三元材料的百万分之500～百万分之3000，即万分之5至万分之30。所述锂电三元材料为NCM523、NCM622、NCM811中的一种。搅拌蒸干温度为80～100℃，时间为0.5～2h。3)将所述混合物料于惰性气氛中煅烧，冷却后获得氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料。惰性气体为氩气或氩气与氢气的混合气，煅烧温度为500～900℃，时间为3～12h。最终得到的锂电池正极材料内核为锂电三元材料，外层为氮掺杂石墨烯导电网络负载钼酸锂的复合包覆层。其中氮掺杂石墨烯一方面在正极材料表面形成导电网络，氮掺杂有利于电子传输，特殊的网络结构有利于充放电循环过程中锂离子和电解质的传输，大大提高锂离子的传输速率，石墨烯凝胶所需抗坏血酸的加入有助于降低部分残碱，钼源与表面残碱反应也有助于降低残碱，提高材料的加工性能。此外，钼酸锂锂离子导体包覆层的形成有助于提高锂离子的传输性能，因此得到的正极材料电化学性能有较大的提高，循环稳定性和倍率性能都有所改善。下面通过具体实施例和对比例来进行说明。实施例一：将200mg氧化石墨、2g尿素加入到100mL水中形成分散液，加入0.75g抗坏血酸，90℃搅拌1.5h形成半凝胶状，随后向其中加入40mg三氧化钼和20gNCM622正极材料，随后在80℃下搅拌干燥2h。将干燥的物料转入氩气气氛马弗炉中600℃热处理5h，冷却获得到氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料。实施例二：将500mg氧化石墨、4g尿素加入到100mL水中形成分散液，加入1.5g抗坏血酸，80℃搅拌2h形成半凝胶状，随后向其中加入1.0g三氧化钼和500gNCM622正极材料，随后在70℃下搅拌干燥5h。将干燥的物料转入氩气气氛马弗炉中700℃热处理5h，冷却后获得到氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料。实施例三：将400mg氧化石墨、4g尿素加入到100mL水中形成分散液，加入1.5g抗坏血酸，100℃搅拌1h形成半凝胶状，随后向其中加入0.4g三氧化钼和200gNCM622正极材料，随后在80℃下搅拌干燥2h。将干燥的物料转入氩气气氛马弗炉中550℃热处理6h，冷却后获得到氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：1)将氧化石墨、氮源分散于水中形成分散液，加入抗坏血酸加热得到凝胶；2)取钼源、锂电三元材料加入所述凝胶中搅拌蒸干得到混合物料；3)将所述混合物料于惰性气氛中煅烧，冷却后获得氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：1)将氧化石墨、氮源分散于水中形成分散液，加入抗坏血酸加热得到凝胶；2)取钼源、锂电三元材料加入所述凝胶中搅拌蒸干得到混合物料；3)将所述混合物料于惰性气氛中煅烧，冷却后获得氮掺杂石墨烯和钼酸锂共包覆的锂电池正极材料。2.如权利要求1所述氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法，其特征在于，步骤1)中，氧化石墨添加量为锂电池正极材料质量的0.1％～5％，所述分散液中氧化石墨的浓度为0.1～5mg/mL，所述氮源为尿素或硫脲。3.如权利要求1所述氮掺杂石墨烯和钼酸锂的锂电池正极材料制备方法，其特征在于，步骤1)中，加热得到凝胶的加热温度为50～100℃，加热时间为0.5～10h。4.如权利要求1所述氮掺杂石墨烯和钼酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世国，周晓燕，惠科石，任正田，张明龙，李新章，
申请(专利权)人：格林美无锡能源材料有限公司，格林美股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32