一种低温锂电池正极及其制备方法与流程

本发明涉及锂电池技术领域，尤其是涉及一种低温锂电池正极及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池:是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时，li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。其中，液态锂离子电池是指li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物licoo2或limno4，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池正常的工作温度范围为-20℃~60℃，锂离子电池电解质溶液的冰点在-40℃，容易冻结，冰点以下环境有可能使锂电池在电子产品打开的瞬间烧毁，因此，本领域人员积极探索，以期研发出一种新型的材料来提高锂离子电池的工作温度范围，使锂离子电池可在低于-20℃的环境下正常工作，避免锂电池在电子产品打开的瞬间烧毁，增加锂离子在低温环境下工作的安全性。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种低温锂电池正极及其制备方法，将新的添加剂材料加入锂电池的正极中，实现在温度较低的环境中，打通电池电解液低温固化而堵塞的电子和离子通道，增加离子活性的目的，从而使电池在低温的时候可以更好的工作，最低可以在-40℃的环境下工作，避免锂电池在电子产品打开的瞬间烧毁，增加锂离子在低温环境下工作的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种低温锂电池正极及其制备方法，包括主料、溶剂和添加剂，所述主料为磷酸铁锂或三元，所述溶剂为nmp，所述添加剂包括pvdf、sp、ks-6和多层石墨烯。

各组分的重量百分含量如下：所述主料为40-46%、所述nmp为47-50%、所述pvdf为2-3%、所述sp为1-2%、所述ks-6为1-2%和所述多层石墨烯为2-7%。

所述多层石墨烯由多层片状石墨烯和金刚石组成，所述金刚石位于多层片状石墨烯的相邻的两层之间，所述金刚石与所述的多层片状石墨烯的碳原子一一对应。

所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：4-6。

所述多层片状石墨烯为6-8层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.3-0.7nm,所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.1-0.5nm。所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为0.7-1.6nm。

进一步地说，所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：5。

所述多层片状石墨烯的层数为8层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.5nm。所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.3nm。

所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为0.9nm。

进一步地说，所述多层石墨烯的制作方法，包括如下步骤：

步骤一、采用化学沉积法制备多层片状石墨烯：用阴极射线在二氧化硅基体表面沉积一层镍金属层，不能为其它基材，所述镍金属层的厚度为200-400nm。

步骤二、在温度950-1150℃的管式炉中通入甲烷、氢气和氨气组成的混合气以及普通石墨粉，并在100ms冷却到室温，得到多层片状石墨烯，此处所述多层片状石墨烯的层数为3-12层。

步骤三、在十万级以上洁净度环境下，通过电子显微镜观测后用分子刀剥离，筛选出6-8层片状石墨烯。

步骤四、将步骤三筛选出的6-8层片状石墨烯与金刚石按比例混合，抽真空至100-200mpa，高温达到600-800℃搅拌36h，即得成品。

本发明还提供了一种低温锂电池正极的制备方法，按照如下步骤进行：

步骤a、将所述nmp、pvdf、sp、ks-6和多层石墨烯加入到搅拌桶中，抽真空至-0.08～-0.09mpa，保持真空的情况下搅拌3.5-4.5h，使其完全充分溶解，即得所述添加剂。

步骤b、将所述磷酸铁锂或三元材料，所述nmp、步骤a所述的添加剂中按比例加入，所述磷酸铁锂或三元材料为40-46%、所述nmp为48.8-50%、所述pvdf为2-3%、所述sp为0.4-0.5%、所述ks-6为0.4-0.5%和所述多层石墨烯为2-7%；抽真空至-0.08～-0.09mpa，保持真空的情况下搅拌2-4h，至粘稠度达到8000～12000mpa·s，即得所述正极浆料。

本发明的有益效果是：本发明中的正极添加剂是由多层石墨烯和金刚石经过化学反应而制得的固态添加剂材料，多层石墨烯的层数为6-8层，多层石墨烯与金刚石的反应比例为1：5，多层石墨以一定比例加入正极材料中，实现在温度较低的环境中，打通电池电解液低温固化而堵塞的电子和离子通道，增加离子活性的目的，从而使电池在低温的时候可以更好的工作，最低可以在-40℃的环境下工作，避免锂电池在电子产品打开的瞬间烧毁，增加锂电池在低温环境下工作的安全性。

本发明的上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的多层石墨烯的结构示意图。

附图中各部分标记如下：

多层石墨烯100、片状石墨烯101、金刚石102和碳原子103。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。

一种低温锂电池正极及其制备方法，包括主料、溶剂和添加剂，所述主料为磷酸铁锂或三元，所述溶剂为nmp，所述添加剂包括pvdf、sp、ks-6和多层石墨烯。

各组分的重量百分含量如下：所述主料为40-46%、所述nmp为47-50%、所述pvdf为2-3%、所述sp为1-2%、所述ks-6为1-2%和所述多层石墨烯为2-7%。

如图1所示，所述多层石墨烯100由多层片状石墨烯101和金刚石102组成，所述金刚石102位于多层片状石墨烯的相邻的两层之间，所述金刚石与所述的多层片状石墨烯的碳原子103一一对应。

所述多层片状石墨烯101与所述金刚石102的重量比为1：(4-6)。

所述多层片状石墨烯为6-8层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.3-0.7nm,所述多层片状石墨烯101的相邻两层的层间距为0.1-0.5nm。所述金刚石102为球状碳，且所述球状碳的粒径为0.7-1.6nm。

实施例1：所述主料为40%、所述nmp为49%、所述pvdf为2.5%、所述sp为2%、所述ks-6为1.5%和所述多层石墨烯为5%。

所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：5。

所述多层片状石墨烯的层数为8层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.5nm。所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.3nm。

所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为0.9nm。

实施例2：所述主料为43%、所述nmp为50%、所述pvdf为2%、所述sp为1.2%、所述ks-6为1.8%和所述多层石墨烯为2%。

所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：4。

所述多层片状石墨烯的层数为8层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.3nm。所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.4nm。

所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为1.2nm。

实施例3：所述主料为44%、所述nmp为48%、所述pvdf为2.6%、所述sp为1.4%、所述ks-6为1%和所述多层石墨烯为3%。

所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：6。

所述多层片状石墨烯的层数为7层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.6nm。所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.5nm。

所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为1.6nm。

实施例4：所述主料为41%、所述nmp为47%、所述pvdf为2.2%、所述sp为1%、所述ks-6为1.8%和所述多层石墨烯为7%。

所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：4.5。

所述多层片状石墨烯的层数为6层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.7nm。所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.2nm。

所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为1.0nm。

实施例5：所述主料为46%、所述nmp为47%、所述pvdf为3%、所述sp为1%、所述ks-6为1%和所述多层石墨烯为2%。

所述多层片状石墨烯与所述金刚石的重量比为1：5.5。

所述多层片状石墨烯的层数为6层片状石墨烯，所述多层片状石墨烯的每层的厚度为0.4nm。所述多层片状石墨烯的相邻两层的层间距为0.1nm。

所述金刚石为球状碳，且所述球状碳的粒径为0.7nm。

本发明的实施例1到实施例5所述的多层石墨烯的制备方法，按照如下步骤进行：

步骤一、采用化学沉积法制备多层片状石墨烯：用阴极射线在二氧化硅基体表面沉积一层镍金属层（不能为其它基材），所述镍金属层的厚度为200-400nm。

步骤二、在温度950-1150℃的管式炉中通入甲烷、氢气和氨气组成的混合气以及普通石墨粉，并迅速（约100ms）冷却到室温，得到多层片状石墨烯，此处所述多层片状石墨烯的层数为3-12层。

步骤三、在十万级以上洁净度环境下，通过电子显微镜观测后用分子刀剥离，筛选出6-8层片状石墨烯。

步骤四、将步骤三筛选出的6-8层片状石墨烯与金刚石按比例混合，真空（100-200mpa）高温（600-800℃）搅拌（36h），即得成品。

本发明的实施例1到实施例5所述的低温锂电池正极的制备方法，按照如下步骤进行：

步骤a、将所述nmp、pvdf、sp、ks-6和多层石墨烯加入到搅拌桶中，抽真空至-0.08～-0.09mpa，保持真空的情况下搅拌3.5-4.5h，使其完全充分溶解，即得所述添加剂；

步骤b、将所述磷酸铁锂或三元材料，所述nmp、步骤a所述的添加剂中按比例加入，所述磷酸铁锂或三元材料为40-46%、所述nmp为48.8-50%、所述pvdf为2-3%、所述sp为0.4-0.5%、所述ks-6为0.4-0.5%和所述多层石墨烯为2-7%；抽真空至-0.08～-0.09mpa，保持真空的情况下搅拌2-4h，至粘稠度达到8000～12000mpa·s，即得所述正极浆料。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。