用于锂离子电池的正极材料制造技术

本发明专利技术涉及一种用于锂离子电池的正极材料。所述正极材料包括负载于氮掺杂复合碳材中的活性物质，所述氮掺杂复合碳材具有三维多孔结构，所述氮掺杂复合碳材包括三维石墨烯和碳纳米管，所述碳纳米管在所述三维石墨烯的片层表面相互缠绕，所述碳纳米管与所述三维石墨烯之间形成杂化结构单元，所述活性物质负载于所述氮掺杂复合碳材的孔隙中，所述活性物质包括磷酸铁锂材料。包含本发明专利技术的正极材料的电池具有提高的倍率性能和循环稳定性。有提高的倍率性能和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
用于锂离子电池的正极材料


[0001]本专利技术属于锂离子电池
具体地，本专利技术涉及一种用于锂离子电池的正极材料。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有高电压、高能量密度、环保无污染等优点，是当下主流的储能体系，其应用已从便携式电子设备发展到交通工具。
[0003]许多研究致力于开发适用于电动汽车和大规模电网储能的锂离子电池，其中安全性问题备受关注，因而在高温下不释氧、结构稳定的磷酸盐系正极材料得到了广泛的应用。
[0004]然而，磷酸盐系正极材料存在两个明显的缺点，其中一个缺点为电子电导率和离子电导率低，这不仅不利于电池的倍率性能，迟滞的电极动力学还导致其低温性能差，限制其进一步的大规模应用；另外一个缺点为加工性能差，影响电极的制备和电化学性能。
[0005]针对这两个问题，最常用的改善方法是对磷酸盐系正极材料进行表面碳包覆、离子掺杂和形貌优化，其中碳包覆和形貌优化能显著提升其电化学性能，从而受到广泛的研究。目前，最常用的手段是在磷酸盐系正极材料表面包覆无定形碳层。
[0006]例如CN108682787B公开了一种锂离子电池极片及其制备方法。其中正极活性物质经由以下步骤制备：(1)将石墨烯和碳纳米管投入到乙醇中，并通过超声初步粉碎处理后，在常温下混合，然后在惰性气体保护的环境下升温至40~60℃，再保温4～6h，然后自然冷却至室温，得到混合溶液；所述石墨烯为多层石墨烯，所述多层石墨烯的内部呈三维立体导电网络结构，所述碳纳米管插嵌在该三维立体导电网络内，多层石墨烯和碳纳米管作用后形成的颗粒粒径为700nm~22μm；(2)将磷酸铁锂粉碎，并将磷酸铁锂投入到搅拌釜中，添加蒸馏水，并添加偶联剂和乙炔黑，快速搅拌后，将步骤(1)中的混合溶液添加至搅拌釜中，搅拌均匀，得到改性中间体；(3)将步骤(2)制备的改性中间体加入雾化器中进行喷雾干燥处理，该过程中是在保护气体作用下吹入气态碳源，使所述气态碳源在改性中间体表面裂解形成无定形碳，该无定形碳包覆在改性中间体的表面并形成均匀的包覆层；(4)将步骤(3)中得到的粉末颗粒在真空烘干，在250~350℃和保护气体作用下煅烧3~4小时，得到改性磷酸铁锂正极材料。
[0007]然而包覆无定形碳层难以达到均匀的包覆效果，同时对其电导率性能的提升也有限，仍待进一步改善。
[0008]因此，本领域中仍希望对磷酸盐系正极材料进一步地改进以提高其电子电导率以及包含其的锂离子电池的倍率性能和循环稳定性。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题提供一种磷酸盐系正极材料，其具有提高的电子电导率，并且包含其的锂离子电池具有提高的倍率性能和循环稳定性。
[0010]本专利技术所要解决的问题通过以下技术方案得以解决：
根据本专利技术的第一方面，提供一种用于锂离子电池的正极材料，其特征在于，包括负载于氮掺杂复合碳材中的活性物质，所述氮掺杂复合碳材具有三维多孔结构，所述氮掺杂复合碳材的平均孔径为15
‑
60 μm，孔隙率不低于90%，所述氮掺杂复合碳材包括三维石墨烯和碳纳米管，所述碳纳米管在所述三维石墨烯的片层表面相互缠绕，所述碳纳米管与所述三维石墨烯之间形成杂化结构单元，所述活性物质负载于所述氮掺杂复合碳材的孔隙中，所述活性物质在所述正极材料中的质量占比不小于60%，所述活性物质包括磷酸铁锂材料，其中所述磷酸铁锂材料的化学通式为LiFe
x
M
(1
‑
x)
PO4，其中0<x≤1，M为Mn、Co、Ti、Mg、Ca元素中的一种或多种。
[0011]根据本专利技术的第二方面，提供一种上述正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将氧化石墨烯、碳纳米管、氮掺杂剂、选自磷酸铁锂材料和磷酸铁锂前驱体的原料、任选的三元材料在水中分散后得到混合物A；2)将步骤1)所得的混合物A冷冻干燥得到负载有所述原料和任选的三元材料的三维氧化石墨烯；和3)将步骤2)所得的三维氧化石墨烯置于惰性气体氛围下和500
‑
800℃范围内的烧结温度下保持5
‑
30小时，得到所述正极材料。
[0012]根据本专利技术的第三方面，提供一种上述正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将氧化石墨烯、碳纳米管、磷酸铁锂材料和任选的三元材料在水中分散后得到混合物B；2)将步骤1)所得的混合物B冷冻干燥得到负载有磷酸铁锂材料和任选的三元材料的三维氧化石墨烯；和3)将所述三维氧化石墨烯置于水合肼氛围下和75
‑
110℃范围内的温度下保持10
‑
36小时，然后在120
‑
200℃下干燥12
‑
48 h，得到所述正极材料。
[0013]根据本专利技术的第四方面，提供一种锂离子电芯，其特征在于，其正极采用上述正极材料制备。
[0014]根据本专利技术的第五方面，提供一种电池模组，其特征在于，包括上述锂离子电芯。
[0015]根据本专利技术的第六方面，提供一种电池包，其特征在于，包括上述电池模组。
[0016]根据本专利技术的第七方面，提供一种车辆，其特征在于，包括上述电池包。
[0017]本专利技术的正极材料具有提高的电子电导率，并且包含本专利技术的正极材料的电芯具有提高的倍率性能和循环稳定性。
附图说明
[0018]下面结合附图对本专利技术进行更详细地说明和解释，其中：图1显示了实施例1中制备的 氮掺杂复合碳材的三维孔隙的形貌图。
[0019]图2显示了实施例1中制备的氮掺杂复合碳材的三维石墨烯片层的形貌图。
[0020]图3显示了实施例2中制备的正极材料的形貌图。
[0021]图4显示了实施例7中制备的正极材料的形貌。
[0022]图5显示了分别包含实施例7制备的正极材料和对比例2制备的正极材料的电池在0.1C下的充放电曲线。
[0023]图6显示了分别包含实施例7制备的正极材料和对比例2制备的正极材料的电池在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C和10C下的倍率性能图。
[0024]图7显示了实施例8中制备的氮掺杂复合碳材的XPS谱图。
具体实施方式
[0025]在下文中，将更全面地体现本专利技术的各方面以及更进一步的目的、特征和优点。
[0026]正极材料根据本专利技术的第一方面，提供一种用于锂离子电池的正极材料，其特征在于，包括负载于氮掺杂复合碳材中的活性物质，所述氮掺杂复合碳材具有三维多孔结构，所述氮掺杂复合碳材的平均孔径为15
‑
60 μm，孔隙率不低于90%，所述氮掺杂复合碳材包括三维石墨烯和碳纳米管，所述碳纳米管在所述三维石墨烯的片层表面相互缠绕，所述碳纳米管与所述三维石墨烯之间形成杂化结构单元，所述活性物质负载于所述氮掺杂复合碳材的孔隙中，所述活性物质在所述正极材料中的质量占比不小于60%，所述活性物质包括磷酸铁锂材料，其中所述磷酸铁锂材料的化学通式为LiFe...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的正极材料，其特征在于，包括负载于氮掺杂复合碳材中的活性物质，所述氮掺杂复合碳材具有三维多孔结构，所述氮掺杂复合碳材的平均孔径为15
‑
60 μm，孔隙率不低于90%，所述氮掺杂复合碳材包括三维石墨烯和碳纳米管，所述碳纳米管在所述三维石墨烯的片层表面相互缠绕，所述碳纳米管与所述三维石墨烯之间形成杂化结构单元，所述活性物质负载于所述氮掺杂复合碳材的孔隙中，所述活性物质在所述正极材料中的质量占比不小于60%，所述活性物质包括磷酸铁锂材料，其中所述磷酸铁锂材料的化学通式为LiFe
x
M
(1
‑
x)
PO4，其中0<x≤1，M为Mn、Co、Ti、Mg、Ca元素中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，在所述氮掺杂复合碳材中，所述碳纳米管的质量占比为2
‑
60%，优选地为2
‑
20%，更优选为5
‑
10%。3.根据权利要求1或2所述的正极材料，其特征在于，所述氧化石墨烯的尺寸在2
‑
400 μm范围内，平均尺寸在15
‑
30 μm范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的正极材料，其特征在于，所述氮掺杂复合碳材的平均孔径为15
‑
30μm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的正极材料，其特征在于，所述氮掺杂复...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾士哲，
申请(专利权)人：蔚来汽车科技安徽有限公司，
类型：发明
国别省市：