由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法，旨在解决现有技术中常规复合正极材料及碳纳米材料导致的材料分散不均匀的问题，包括步骤一，去除工业烟气中的粉尘颗粒物、氮氧化物以及硫氧化物，得到预处理烟气；吸收解析预处理烟气中的CO2，对捕集纯化后的CO2气体进行压缩，除杂后脱水，进入提纯塔精馏提纯；步骤二，碳酸盐经均质后在CO2气氛中经过预电解、电解得到碳纳米材料和锂源的混合物；步骤三，将混合物料进行破碎；步骤四，制备正极材料的前驱体，前驱体按照所要制备的正极材料充分混合研磨，添加到破碎后的混合物料中混合均匀；步骤五，用高温固相法煅烧一定时间后定向合成碳纳米材料复合的锂电池正极材料。池正极材料。池正极材料。

【技术实现步骤摘要】
由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及温室气体CO2减排、CCUS技术、碳纳米材料制备以及锂电池
，尤其涉及一种由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]二氧化碳是温室气体中数量最大、影响最严重的气体。目前，对二氧化碳进行捕集、利用与封存的技术（简称CCUS）已进入人类视野。CCUS技术就是把二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以转化、利用或注入地层，实现二氧化碳的永久减排。CCUS技术不仅能够做到减排，还能创造经济价值。
[0003]近几年，随着锂电池行业不断发展，其适用范围也在不断地扩大，在新能源汽车、光伏产业、航海航空、军事装备等领域都有应用。作为锂电池的核心部分，正负极材料对于锂电池性能起着决定性作用。目前商业化应用的锂离子电池正极材料主要是磷酸铁锂（LiFePO4，LFP）阴离子类、镍钴锰酸锂（LiNi
x
Co
y
Mn1‑
x
‑
y
O2，NCM）和镍钴铝酸锂（LiNi
x
Co
y
Al1‑
x
‑
Y
O2,NCA）等过渡金属氧化物，负极材料如钛酸锂（Li4Ti5O
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，LTO）等，但其材料本身大多都存在电导率低，导电性差等问题，为了提高材料的导电性，提高电池充放电性能，在制作电极极片时通常会加入一定量的导电物质，减小电极的内阻，加速电子的传输速率，提升电池的容量。
[0004]碳纳米管具有良好的导电性能、力学性能及一定的嵌锂能力，其纤维状结构能够更好地连接电极活性材料，形成连续的三维导电“网络”，可提高电极的导电能力和活性物质的利用率；可使电极极片具有较高的韧性，有效抑制活性物质在充放电过程中因体积变化而引起的剥落，从而提高电极的循环寿命；碳纳米管的均匀掺杂还可大幅度提高电解质在电极材料中的渗透能力。
[0005]目前锂电池行业中的复合正极材料的制备方法如图1所示，该复合正极材料由碳纳米管、石墨烯、炭黑、溶剂以及分散剂组成导电剂后，与制备好的正极材料机械混合得到，而正极材料由正极材料前驱体、碳酸锂以及还原剂通过预烧结以及高温烧结的方法制备而成，碳纳米管则由CO2电解、破碎、分离以及乙炔/丙烷/H2在高温下的气相反应而成。
[0006]该种制备方法具有以下几个问题，正极材料的形态稳定性不佳，在充放电过程中结构容易坍塌；电子电导率、反应充分完全性差；常规复合正极材料及碳纳米材料导致的材料分散不均匀、反应过程中局部过热；现有的制备方法具有多步工艺流程，成本较高的问题。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种实现CO2减排、维持正极材料形态的稳定、防止充放电过程中结构坍塌、提升电子电导率、使反应更加充分完全、提升电池容量、使反应于正极上全面、均匀进行、防止局部过热、节省多步工艺流程、从而节省成本的由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法。
[0008]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是：一种由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法，包括以下步骤:步骤一，去除工业烟气中的粉尘颗粒物、氮氧化物以及硫氧化物，得到预处理烟气；吸收解析所述预处理烟气中的CO2，对捕集纯化后的CO2气体进行压缩，除杂后脱水，进入提纯塔精馏提纯；步骤二，碳酸盐经均质后在CO2气氛中经过预电解、电解得到碳纳米材料和锂源的混合物；任何途径获得的CO2均可；步骤三，将碳纳米材料和锂源的混合物料进行破碎，控制其中位粒径；步骤四，根据锂电池种类及使用需求，定向选择所制备的正极材料的前驱体，所述前驱体按照所要制备的正极材料化学式中元素摩尔比称量后充分混合研磨，添加到破碎后的碳纳米材料和锂源的混合物料中混合均匀；步骤五，用高温固相法煅烧一定时间后定向合成碳纳米材料复合的锂电池正极材料。
[0009]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤二中制备碳纳米材料和锂源的混合物包括如下步骤：采用热
‑
电化学协同反应电解熔融碳酸锂制备碳纳米材料，再由锂盐作为中间产物吸收温室气体CO2再生熔融电解盐，形成可再生循环体系，最终实现CO2转化为碳纳米材料。本步骤实现了CO2的持续消纳和转化。
[0010]作为本专利技术的进一步改进是，所述电解炉中的碳酸盐至少包括碳酸锂。该碳酸盐可以仅为碳酸锂，也可以是碳酸锂与其他碳酸盐（如碳酸钠、碳酸镁）的混合物。
[0011]作为本专利技术的进一步改进是，制备碳纳米材料和锂源的混合物的电解温度为450
‑
800℃，预电解和电解时间为0.5h
‑
4h；所述步骤三中破碎后碳纳米材料及锂源的混合物料的中位粒径D50<10um。
[0012]作为本专利技术的进一步改进是，所述预电解前添加氧化锌、氧化铁等过渡金属氧化物中的至少一种或多种。
[0013]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤四中的前驱体含磷、铁、镍、锰、钴、铝中的至少一种。
[0014]作为本专利技术的进一步改进是，含磷、铁的前驱体作为合成复合磷酸铁锂的原材料，包括草酸亚铁、乙二酸亚铁、氧化铁红、磷酸铁、磷酸氢铵、磷酸及磷酸二氢铵中的一种或多种。使用磷酸铁可以实现产率最高，不引入其它元素，且无废弃物产生。
[0015]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤五中定向制备复合磷酸铁锂，含磷、铁的前驱体添加到破碎后的碳纳米材料和锂盐的混合物料中混合均匀后，所述碳纳米材料部分作为碳源做碳纳米管复合磷酸铁锂固相合成反应的还原剂，稳定铁离子价态；部分掺杂磷酸铁锂，改善其导电性能及锂离子的扩散速度。
[0016]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤四中含镍、锰、钴的前驱体作为固相合成钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等正极材料的原材料，包括镍、锰、钴、铝的氢氧化物、氧化物、或其氯化物中的一种或多种。如Ni(OH)2、NiO、Co(OH)2、Al(OH)3、CoO、Co2O3、Ni2O3、Mn(OH)2、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、NiCl2、CoCl2、MnCl2等其中的一种或多种。
[0017]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤五中定向制备镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂三元电极材料时，按照所需电极材料化学式中的元素选择前驱体，按照元素摩尔比称量，均匀
混合。
[0018]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤五中用高温固相法定向制备各种碳纳米材料复合正极材料需控制温度在600
‑
1200 ℃，在通保护气的气氛炉中煅烧9
‑
20h合成不同的碳纳米材料复合的锂电池正极材料。高温可使石墨化程度较低的碳纳米材料充当还原剂，促进正极材料的生成。在此步骤中，前驱体与碳纳米材料缠绕在一起合成为锂电池正极材料。
[0019]作为本专利技术的进一步改进是，所述步骤五中合成的碳纳米材料复合的锂电池正极材料，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由CO2转化的碳纳米材料复合锂电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤一，去除工业烟气中的粉尘颗粒物、氮氧化物以及硫氧化物，得到预处理烟气；吸收解析所述预处理烟气中的CO2，对捕集纯化后的CO2气体进行压缩，除杂后脱水，进入提纯塔精馏提纯；步骤二，碳酸盐经均质后在CO2气氛中经过预电解、电解得到碳纳米材料和锂源的混合物；步骤三，将混合物料进行破碎，控制其中位粒径；步骤四，根据锂电池种类及使用需求，定向选择所制备的正极材料的前驱体，所述前驱体按照所要制备的正极材料化学式中元素摩尔比称量后充分混合研磨，添加到破碎后的混合物料中混合均匀；步骤五，用高温固相法煅烧一定时间后定向合成碳纳米材料复合的锂电池正极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中制备碳纳米材料和锂源的混合物包括如下步骤：采用热
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电化学协同反应电解熔融碳酸锂盐制备碳纳米材料，再由碳酸盐作为中间产物吸收温室气体CO2再生熔融电解盐，形成可再生循环体系，最终实现CO2转化为碳纳米材料。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述电解炉中的碳酸盐至少包括碳酸锂。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：制备碳纳米材料和锂源的混合物的电解温度为450
‑
800℃，预电解和电解时间为0.5h
‑
4h；所述步骤三中破碎后碳纳米材料及锂源的混合物料的中位粒径D50<10um；所述预电解前添加氧化锌、氧化铁等过渡金属氧化物中的至少一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤四中的前驱体含磷、铁、镍、锰、钴、铝中的至少一种。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：含磷、铁的前驱体作为合成复合磷酸铁锂的原材料，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋维宁，马梅芳，顾杰，
申请(专利权)人：宋维宁，
类型：发明
国别省市：