一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，涉及一种氮掺杂碳包覆锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯在溶剂中混合均匀，然后再加入正极材料，混合均匀，干燥；将混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分包覆在正极材料表面；然后继续升温碳化得到具有核壳结构的氮掺杂碳包覆正极材料。相对于现有技术，本发明专利技术采用原位氮掺杂碳包覆正极材料，得到包覆均匀的正极材料，该材料的导电性好，循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法
本专利技术属于新能源锂离子电池材料
，主要涉及一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池由于能量密度高，循环寿命长，环保等特点，从最初的3C类领域逐渐扩展到了电动汽车领域。而正极材料由于导电性和循环性差的原因，制约了其广泛的运用前景。传统的如CN104900869A公开了一种碳包覆镍钴铝三元正极材料的制备方法，采用普通有机碳源包覆，导电性差。CN104466135A公开了一种导电聚合物包覆镍钴锰酸锂正极材料的方法，是直接加入导电聚合物，然后进行煅烧，得到碳包覆层，但是，由于其工艺的技术缺陷，导致包覆层不均匀。有鉴于此，本专利技术旨在提供一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其采用原位氮掺杂碳包覆正极材料，从而得到包覆均一的氮掺杂碳包覆正极材料，该材料的导电性提高，循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其采用原位氮掺杂碳包覆正极材料，从而得到包覆均一的氮掺杂碳包覆正极材料，该材料的导电性提高，循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤一，以用含氮量高的三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、在溶剂中混合均匀，然后再加入正极材料，混合均匀，得到湿浆料，干燥；步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100～500℃，保温0.1～5h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分，功能结构组分敷在正极材料表面。然后继续升温至500～1000℃，功能结构组分碳化0.5～24h，脱去功能结构中的氧和氢，冷却后打散、过筛，得到的包覆均一的氮掺杂碳包覆正极材料。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤二得到的氮掺杂碳包覆正极材料具有核壳结构，壳层为氮掺杂碳层，核层为正极材料，所述氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。该壳层厚度在5nm～100nm，导电性好，功能结构组分均匀的包覆在正极材料表面。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，壳层的质量为核层质量的0.5～5％。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯，改性石墨烯能够与有机酸和三聚氰胺反应。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的有机酸为含-COOH的有机物，从而能够和三聚氰胺和改性石墨烯加热反应，生成功能结构组分。并且-COOH官能团的个数为1～5，碳原子数为2～20。优选的，有机酸为柠檬酸、硬脂酸、乙二酸中的至少一种。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的溶剂为水、乙醇、丙酮、异丙醇、正丁醇、四氢呋喃和甲基丁酮中的至少一种。湿浆料的固含量为10～50％。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤一所述正极为三元材料、富锂材料、镍锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸锰铁锂中至少一种，D50为8～18微米。优选的，三元材料分子通式为LiNi1-x-yCoxMyO2,其中M＝Mn，Al；x+y<0.6。优选的，所述的富锂材料分子通式为xLi2MnO3.(1-x)LiMO2，其中M＝Co,Ni0.5Mn0.5,Cr,Ni1/3Co1/3Mn1/3。优选的，所述的镍锰酸锂材料分子通式为LiNi0.5Mn1.5O4。优选的，所述的锰酸锂分子通式为LiMn2O4。优选的，所述的磷酸铁锂材料分子通式为LiFePO4。优选的，所述的磷酸锰锂材料分子通式为LiMnPO4。优选的，所述的磷酸锰铁锂材料分子通式为LiMnxFe1-xPO4(0.6≤x≤1)。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的干燥的温度60～200℃。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤一中，有机酸、改性石墨烯、三聚氰胺和正极材料的质量比为(5～10)：(0.1～1)：(5～10)：100。作为本专利技术氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法的一种改进，步骤二所述回转炉的转速为0.1rpm～1000rpm；所述惰性气氛包括氦气、氮气、氩气、二氧化碳中的至少一种。相对于现有技术，本专利技术制备的材料具有核壳结构，壳层为氮掺杂碳层，核层为正极材料，其中氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。三聚氰胺、有机酸和改性石墨烯原位反应生成的N-C功能组分碳化得到的壳层具有导电性好，在正极材料表面铺展性好的优点，从而本专利技术的材料循环性能和倍率性能优异，能够更好的满足动力锂离子电池的需求。此外，本专利技术工艺简单，操作方便，适用于大规模的生产制备。具体实施方式实施例1本实施例提供了一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤一，首先称取150g三聚氰胺，200g柠檬酸作为有机酸，0.5g改性石墨烯粉末，2000g乙醇作溶剂，在小型搅拌器上混匀，然后再称取1000gD50＝15μm磷酸铁锂，倒入搅拌罐中，搅拌均匀后，转移放入80℃烘箱中干燥。其中，改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯。步骤二，烘干后研磨，过325目筛，粉体转放入到回转炉腔体中，回转炉的转速为800rpm，通入N2保护，加热至300℃，保温3h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分，然后继续升温至800℃碳化4h。待样品冷却后，取出样品，研磨，过325目筛网，得到多孔的氮掺杂碳包覆石墨的石墨改性材料。步骤二得到的氮掺杂碳包覆正极材料具有核壳结构，核层为磷酸铁锂，壳层为多孔氮掺杂碳层，多孔氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。壳层的质量为核层质量的0.7％，壳层厚度在5nm～100nm。实施例2本实施例提供了一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤一，首先称取250g三聚氰胺，250g柠檬酸作为有机酸，8g改性石墨烯粉末，2000g乙醇作溶剂，在小型搅拌器上混匀，然后再称取1000gD50＝8μmNCM(镍钴锰酸锂)，倒入搅拌罐中，搅拌均匀后，转移放入100℃烘箱中干燥。其中，改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯。步骤二，烘干后研磨，过325目筛，粉体转放入到回转炉腔体中，回转炉的转速为600rpm，通入氩气保护，加热至400℃，保温4h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分，然后继续升温至900℃碳化5h。待样品冷却后，取出样品，研磨，过325目筛网，得到多孔的氮掺杂碳包覆石墨的石墨改性材料。步骤二得到的氮掺杂碳包覆正极材料具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：步骤一，以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯在溶剂中混合均匀，然后再加入正极材料，混合均匀，得到湿浆料，干燥；步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，保温0.1~5h，三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成功能结构组分，功能结构组分均匀包覆在正极材料表面；然后继续升温至500~1000℃，碳化0.5~24h，冷却后打散、过筛，得到包覆均一的氮掺杂碳包覆正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：步骤一，以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯在溶剂中混合均匀，然后再加入正极材料，混合均匀，得到湿浆料，干燥；步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，保温0.1~5h，三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成功能结构组分，功能结构组分均匀包覆在正极材料表面；然后继续升温至500~1000℃，碳化0.5~24h，冷却后打散、过筛，得到包覆均一的氮掺杂碳包覆正极材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其特征在于，步骤二得到的氮掺杂碳包覆正极材料具有核壳结构，壳层为氮掺杂碳层，核层为正极材料，所述氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。3.根据权利要求2所述的氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其特征在于，壳层的质量为核层质量的0.5~5%。4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆正极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述的改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团...

【专利技术属性】
技术研发人员：康飞宇，谌芳园，贺艳兵，何中林，王鹏，武洪彬，李宝华，程光春，林平，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，湖北融通高科先进材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44