一种复合电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种复合电极材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将电极主材和有机磺酸类物质混合，煅烧得到所述复合电极材料；其中，所述有机磺酸类物质中的元素包括碳元素、氮元素和硫元素。本发明专利技术通过引入氮硫掺杂的碳包覆层，不仅改善了电极材料的倍率性能和循环性能，还提高了电极材料的高倍率充放电容量。该制备方法工艺简单，成本较低，具有良好的发展潜力。有良好的发展潜力。有良好的发展潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种复合电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种复合电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂电池在实际应用中，电池的倍率性能和循环性能都会影响着电池的充电快慢和使用寿命。电极材料影响电池倍率性能和循环性能的主要原因有：(1)锂离子在正负极、电解液及其界面上的迁移能力有限，而高倍率充放电需要锂离子加速传输，这会导致电芯内阻增大，性能下降；(2)负极容量不充足，经过几百次循环后，负极结构被破坏严重而无法完全接收正极提供的锂离子发生析锂现象，造成容量过早下降，寿命降低。
[0003]目前通过在正极和负极电极材料中加入柠檬酸、葡萄糖形成包覆碳层或掺入氮或硫来改善电池的倍率性能和循环性能，并取得了一定效果。
[0004]例如，CN106299359A公开了一种碳包覆磷酸钒锂正极材料及其制备方法，所述方法包括如下步骤：将锂源、钒源、磷源和碳源混合后加入无水乙醇，置于球磨罐中球磨，干燥后置于三温区回转炉中烧结，温度降至室温即可得到碳包覆磷酸钒锂正极材料；其中，所述碳源为蔗糖和柠檬酸的混合碳源。
[0005]CN105336924A公开了一种碳包覆的磷酸钒钠正极材料的制备方法，以葡萄糖作为还原剂和碳源，水为分散剂，将NH4VO3、NaH2PO4·
2H2O和葡萄糖在水中球磨，经过喷雾干燥，煅烧后，得碳包覆的磷酸钒钠正极材料。
[0006]CN115050945A公开了一种生物质氮掺杂碳包覆富锂磷酸铁锂正极材料的制备方法，包括如下步骤：氢氧化锂中滴加去离子水搅拌使其溶解；将蚕丝置于氢氧化锂溶液中，加热搅拌溶解，加入碳包覆磷酸铁锂正极材料，将混合浆液进行烘干、烧结处理得到生物质氮掺杂碳包覆磷酸铁锂正极材料。
[0007]然而，现有技术的高成本以及对电极材料的倍率性能和循环性能提升有限的问题，一直难以解决。
[0008]鉴于以上情况，提供一种成本较低的电极材料的制备方法，使得制备的电极材料可以获得优异的倍率性能和循环性能，是当前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种复合电极材料及其制备方法和应用。本专利技术将含有碳元素、氮元素和硫元素的有机磺酸类物质和电极主材混合，煅烧得到了具有氮硫掺杂的碳包覆电极材料。通过引入氮硫掺杂的碳包覆层，不仅改善了电极材料的倍率性能和循环性能，还提高了电极材料的高倍率充放电容量。该制备方法工艺简单，成本较低，具有良好的发展潜力。
[0010]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种复合电极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步
骤：
[0012]将电极主材和有机磺酸类物质混合，煅烧得到所述复合电极材料；
[0013]其中，所述有机磺酸类物质中的元素包括碳元素、氮元素和硫元素。
[0014]本专利技术通过在电极材料中引入含碳、氮、硫的有机磺酸类物质，在电极材料颗粒的表面形成了氮硫掺杂的碳包覆层，增加了电极表面的活性位点，使得材料导电性得到提升且结构更加稳定，从而改善了电极材料的倍率性能和循环性能，提高了电极材料的高倍率充放电容量。该制备方法工艺简单，成本较低，具有良好的发展潜力。
[0015]本专利技术采用有机磺酸类物质，可以有效降低电池高倍率充放电下欧姆极化增加导致的温升，且硫、氮原子的掺杂可以扩大电极材料的层间距，减缓电极材料层间结构的不可逆塌陷。
[0016]需要注意的是，本专利技术对电极主材不作限定，示例性的，电极主材可以是正极材料，例如磷酸铁锂、钴酸锂或锰酸锂等，也可以是负极材料，例如人工石墨或天然石墨等。
[0017]优选地，所述有机磺酸类物质包括牛磺酸和/或氨基磺酸。
[0018]本专利技术中，牛磺酸是动物体内一种结构简单的含硫氨基酸，氨基磺酸是一种硫酸的羟基被氨基取代而形成的无机固体酸，应用在电极材料中，氨基中的氮元素在电极表面可以加速电极反应的传荷过程，磺酸基团中的硫元素可以稳定电极的层间结构。
[0019]优选地，所述电极主材和所述有机磺酸类物质的质量比为(120
‑
150):(1
‑
18)，其中，电极主材的选择范围“120
‑
150”例如可以是120、125、130、135、140、145或150等，有机磺酸类物质的选择范围“1
‑
18”例如可以是1、3、5、7、9、12、14、16或18等。
[0020]本专利技术中，若电极主材和有机磺酸类物质的质量比过小，即有机磺酸类物质的用量过多，则锂离子嵌锂或脱锂通道加长，锂离子迁移难度增加；若电极主材和有机磺酸类物质的质量比过大，即有机磺酸类物质的用量过少，则电极主材结构不能被完全覆盖，改善效果不明显。
[0021]优选地，所述混合的方法包括球磨混合。
[0022]优选地，所述球磨混合包括干法球磨或湿法球磨，优选为湿法球磨。
[0023]本专利技术采用湿法球磨，可以充分地混匀电极主材和有机磺酸类物质。
[0024]优选地，所述湿法球磨的具体步骤包括：
[0025]将所述电极主材和有机磺酸类物质分散在溶剂中，得到混合浆料，对所述混合浆料进行球磨。
[0026]优选地，所述溶剂包括甲醇、乙醇或N
‑
甲基吡咯烷酮中的任意一种或至少两种的组合。
[0027]优选地，所述球磨的速率为200
‑
300rpm，例如可以是200rpm、225rpm、250rpm、275rpm或300rpm等。
[0028]优选地，所述混合的温度为40
‑
80℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
[0029]优选地，所述混合的时间为5
‑
7h，例如可以是5h、5.5h、6h、6.5h或7h等。
[0030]优选地，所述煅烧在保护气氛下进行。
[0031]优选地，所述保护气氛中的气体包括氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。
[0032]作为优选的技术方案，所述煅烧的方法为分步煅烧。
[0033]优选地，所述分步煅烧包括一阶煅烧和二阶煅烧。
[0034]优选地，所述一阶煅烧的温度为200
‑
300℃，例如可以是200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃等。
[0035]本专利技术中，若一阶煅烧的温度过低，则包覆物发生团聚，无法形成层状结构；若一阶煅烧的温度过高，则包覆层开裂，结构遭到破坏。
[0036]优选地，所述一阶煅烧的时间为2
‑
4h，例如可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h或4h等。
[0037]优选地，所述二阶煅烧的温度为450...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将电极主材和有机磺酸类物质混合，煅烧得到所述复合电极材料；其中，所述有机磺酸类物质中的元素包括碳元素、氮元素和硫元素。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机磺酸类物质包括牛磺酸和/或氨基磺酸；优选地，所述电极主材和所述有机磺酸类物质的质量比为(120
‑
150):(1
‑
18)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述混合的方法包括球磨混合；优选地，所述球磨混合包括干法球磨或湿法球磨，优选为湿法球磨；优选地，所述湿法球磨的具体步骤包括：将所述电极主材和有机磺酸类物质分散在溶剂中，得到混合浆料，对所述混合浆料进行球磨；优选地，所述溶剂包括甲醇、乙醇或N
‑
甲基吡咯烷酮中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述球磨的速率为200
‑
300rpm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合的温度为40
‑
80℃；优选地，所述混合的时间为5
‑
7h。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧在保护气氛下进行；优选地，所述保护气氛中的气体包括氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的方法为分步煅...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈黎明，
申请(专利权)人：湖北亿纬动力有限公司，
类型：发明
国别省市：