一种锂离子电池的正极材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池的正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小以及工作温度宽等优点。因此，锂离子电池已作为一种重要的能源被广泛使用，无论是在电子通讯领域，还是在交通运输领域等方面，锂离子电池均展示了广阔的应用前景和潜在的经济效益。而锂离子电池正极材料作为锂离子电池的重要组成部分是限制其容量及其他性能发挥的关键。

在锂离子电池领域中，传统的正极材料采用是磷酸铁锂或者的三元正极材料，其中磷酸铁锂电池的安全性能高、使用寿命长，原材料成本低；但是，磷酸铁锂的能量密度、导电性能、循环性能及倍率性能还有待优化。

目前对于磷酸铁锂的使用一般是在磷酸铁锂表面包覆碳材料，这是因为磷酸铁锂具有电子电导率低的本征不足的问题；比如专利CN112928268公开的“碳包覆磷酸铁锂复合材料的制备方法及碳包覆磷酸铁锂复合材料”。虽然其有助于保持锂离子电池的电化学性能，比如容量密度、倍率性能；但是碳包覆磷酸铁锂的电导率、容量密度和倍率性能仍然有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种锂离子电池及其制备方法，这种锂离子电池的倍率性能好，比容量高。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种锂离子电池的正极材料，包括外壳和芯子，所述芯子密封设置在外壳内，所述芯子包括正极、隔膜和负极，所述正极、隔膜和负极卷绕形成圆柱形芯子；所述正极包括正极集流体和正极材料，所述正极材料包括正极活性物质、导电剂和粘结剂；所述正极活性物质包括磷酸铁锂和包覆在磷酸铁锂表面的氮掺杂的碳包覆层。

上述的锂离子电池的正极材料，优选的，所述碳包覆层由磷酸铁锂浸渍在有机含氮化合物溶液中后烧结而成。

上述的锂离子电池的正极材料，优选的，所述有机含氮化合物包括氨基酸、对硝基苯胺、吡啶中的一种或者多种。

上述的锂离子电池的正极材料，优选的，所述粘结剂包括磺化聚偏氟乙烯（PVDF）、羧甲基纤维素钠（CMC），丁苯橡胶（SBR)，聚丙烯酸 (PAA）中的一种或者多种。

上述的锂离子电池的正极材料，优选的，所述导电剂包括碳纳米管、乙炔黑和导电石墨中的一种或者多种。

一种锂离子电池的正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂的制备方法；

①将有机含氮化合物加入到有机溶液或者水溶液中，搅拌均匀；

②将磷酸铁锂加入到步骤1）中溶液中，并且搅拌均匀形成均质溶液；

③将步骤2）形成的混合溶液在真空或者氮气保护氛围下，在120-150℃的条件下干燥，2小时以上；

④将步骤3）的产物在650℃-800℃的温度下，烧结3-5小时，烧结过程中真空或者惰性气体保护；形成表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂；烧结时，升温速率为2℃/min-5℃磷酸铁锂/min；

2）将步骤1）制备的表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂、导电剂和粘结剂加入到溶剂中混合均匀后，涂覆在正极集流体上，干燥得到正极。

上述的锂离子电池的正极材料的制备方法，优选的，所述步骤2）中的表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂的重量为正极材料总重量的65%-85%。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的锂离子电池的正极材料的在磷酸铁锂颗粒上原位涂覆氮掺杂碳层，有效地改善了锂离子快速扩散的电导率。作为锂离子电池的正极材料，氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂的正极材料在0.1 C、1C 和5C 下的电容分别能够达到165mAhg

附图说明

图1为实施例1中表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂的电镜扫描图。

图2为本实施例的正极循环100次的容量循环效率图。

图3为本实施例的正极倍率性能图。

实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例

一种锂离子电池的正极材料，包括外壳和芯子，芯子通过橡胶塞密封设置在外壳内，芯子包括正极、隔膜和负极，正极、隔膜和负极卷绕形成圆柱形芯子；正极包括正极集流体和正极材料，所述正极材料包括正极活性物质、导电剂和粘结剂；正极活性物质包括在表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂。

在本实施例中，正极集流体采用的是铝箔；铝箔的厚度在10μm左右。在本实施例中氮掺杂的碳包覆层由磷酸铁锂浸渍在有机含氮化合物溶液中后烧结而成。有机含氮化合物包括氨基酸、对硝基苯胺和吡啶中的一种或者多种。因为本实施例中的含氮有机物中的N原子是确定的，故能够有效的控制在碳包覆层中氮的掺杂量。在含氮有机化合物热分解的时候，在磷酸铁锂表面形成有一层均匀的氮掺杂的碳包覆层，有助于电子的传导。如图1所示，在磷酸铁锂表面均匀的包覆有一层氮掺杂的碳包覆层。同时在本实施例的含氮有机化合物热分解的时候，因为有有机物的分解，在表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂之间形成多孔结构，这样有利于锂离子和电子的传输，从而提高速率性能。

在本实施例中，粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和聚丙烯酸中的一种或者多种。导电剂包括碳纳米管、乙炔黑和导电石墨中的一种或者多种。

本实施例还提供一种锂离子电池的正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1）表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂的制备方法；

①将有机含氮化合物加入到有机溶液或者水溶液中，搅拌均匀；

②将磷酸铁锂加入到步骤1）中溶液中，并且搅拌均匀形成均质溶液；

③将步骤2）形成的混合溶液在真空或者氮气保护氛围下，在120-150℃的条件下干燥，2小时以上；

④将步骤3）的产物在650℃-800℃的温度下，烧结3-5小时，烧结过程中真空或者惰性气体保护；形成表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂；

2）将步骤1）制备的表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂、导电剂和粘结剂加入到N-甲基吡咯烷酮作为溶剂的溶液中混合均匀后，涂覆在正极集流体上，干燥得到正极。表面包覆有氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂、导电剂和粘结剂的重量百分比分别为80%、10%和10%。

在本实施例中，为了测试正极材料的倍率性能和循环性能，用本实施例的正极作为阴极，锂金属箔作为阳极，隔膜为，组装成锂离子电池，进行测试，电解液的主要成分为六氟磷酸锂、碳酸乙酯和碳酸二甲酯；碳酸乙酯和碳酸二甲酯的体积比为1:1，六氟磷酸锂在电解液中的总重量为10%。

如图2为本实施例的正极循环100次的容量循环效率图。从图2可以看出，在本实施例中正极在1C的条件下经过100个循环后容量保持率仍然能够达到96.8%。图3为本实施例的正极倍率性能图。将电池依次在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C和0.1C条件下充放电循环10次；从图3可以看出，氮掺杂的碳包覆层的磷酸铁锂的正极材料在0.1 C、1C 和5C 下的电容分别能够达到165mAhg