氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料及制备方法与流程

本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料及制备方法。

背景技术：

镍钴锰三元锂离子电池正极材料由于具有较高的能量密度以及相对较简单的制备工艺被广泛应用于it产品以及新能源汽车领域。但单纯的镍钴锰酸锂(lncm)由于结构稳定性欠佳，在充放电过程中很容易由于li离子的脱嵌以及ni、co、mn离子价态的变化造成材料结构的塌陷，对材料的循环寿命及安全性造成极大的危害。表面包覆是提高三元材料电性能的一种有效方法，有效的表面包覆能够减少电池材料与电解液的副反应，阻止电解液对电极材料表面的腐蚀。传统的包覆材料有tio2等金属氧化物、alf3等氟化物、磷酸盐等，然而这些包覆材料与电池材料较弱的作用力容易从电池材料表面脱落，且大部分的材料导电性差，具有抑制锂离子的传递，限制对锂离子电池倍率性能的提高，这对高性能锂电材料的开发是不利的。为此需要在提高锂离子电池循环倍率性能的同时保证材料的稳定性。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料及制备方法，旨在解决目前的正极材料制得的锂离子电池不能同时具备良好的倍率性能和结构稳定性的技术问题。

一方面，一种氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料的制备方法，所述方法包括：

步骤s1、将氧化石墨加入含氮、硫元素化合物的水溶液中，超声分散，得到混合均匀的水溶液；

步骤s2、将所述水溶液在一定温度下反应，得到氮硫共掺杂石墨稀水凝胶，然后冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯；

步骤s3、将得到的氮硫共掺杂石墨烯分散于含有钴的化合物、硒的化合物的二亚乙基三胺溶液中，得到掺杂型石墨烯水溶液，然后超声分散，再转移至高压反应釜中反应，冷却后抽滤并经水洗除去杂质，接着冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料；

步骤s4、将得到的氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料与镍钴锰三元材料按照一定比例混合，混合均匀后于保护气气氛下煅烧，最后冷却，得到氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料。

具体的，步骤s1中，所述含氮、硫元素化合物的浓度为0.025mol/l，所述含氮、硫元素化合物为l-半胱氨酸、硫脲、巯基乙胺、谷胱甘肽或甲硫氨酸其中的一种或几种。

具体的，步骤s1中，超声分散时间为20-60min，所述混合均匀的水溶液中氧化石墨的浓度为5g/l。

具体的，步骤s2中，反应温度为60-90℃，反应时间为30-90min。

具体的，步骤s3中，所述钴的化合物为co(oac)2·h2o、硒的化合物为na2seo3，所述co(oac)2·h2o和na2seo3在所述二亚乙基三胺溶液中的浓度均为50mmol/l。

具体的，步骤s3中，掺杂型石墨烯水溶液中的氮硫共掺杂石墨烯的浓度为5g/l。

具体的，步骤s3中，超声分散时间为20-60min，反应温度为120-160℃，反应时间为12-20h，所述水洗次数为三次。

具体的，步骤s4中，氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料添加量为镍钴锰三元材料质量的0.05-0.5％。

具体的，步骤s4中，煅烧温度为300-600℃，煅烧时间为2-6h。

另一方面，一种氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料，所述氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料采用所述氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料的制备方法制备得到。

本发明提供的一种氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料及其制备方法，在制备过程中将硒化钴负载到石墨烯材料上，石墨烯材料上含n和s元素基团的存在能加强与li之间的相互作用，起到很好的包覆保护效果，抑制正极材料与电解液之间的相互作用，石墨烯材料本身的孔道结构能有效缓解材料在充放电过程中产生的体积效应，提高材料结构的稳定性；同时，石墨烯具有良好的导电性，再加上硒化钴本身也是一种负极材料，是一种锂离子导体，二者协同提高体相锂离子的传输速率，最后使得锂离子电池既具备优异的倍率性能、循环性能，又具备良好的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例一与对比例一的循环寿命曲线对比图；

图2是本发明实施例一与对比例一的倍率性能曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中，所述氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料的制备方法，所述方法包括：

步骤s1、将氧化石墨加入含氮、硫元素化合物的水溶液中，超声分散，得到混合均匀的水溶液。

本步骤中，超声分散时间为20-60min，所述混合均匀的水溶液中氧化石墨的浓度为5g/l，所述含氮、硫元素化合物的浓度为0.025mol/l，所述含氮、硫元素化合物为l-半胱氨酸、硫脲、巯基乙胺、谷胱甘肽或甲硫氨酸其中的一种或几种。

步骤s2、将所述水溶液在一定温度下反应，得到氮硫共掺杂石墨稀水凝胶，然后冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯。

本步骤中，反应温度为60-90℃，反应时间为30-90min。

步骤s3、将得到的氮硫共掺杂石墨烯分散于含有钴的化合物、硒的化合物的二亚乙基三胺溶液中，得到掺杂型石墨烯水溶液，然后超声分散，再转移至高压反应釜中反应，冷却后抽滤并经水洗除去杂质，接着冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料。

本步骤中，所述钴的化合物为co(oac)2·h2o、硒的化合物为na2seo3，所述co(oac)2·h2o和na2seo3在所述二亚乙基三胺溶液中的浓度均为50mmol/l，掺杂型石墨烯水溶液中的氮硫共掺杂石墨烯的浓度为5g/l，超声分散时间为20-60min，反应温度为120-160℃，反应时间为12-20h，所述水洗次数为三次。

步骤s4、将得到的氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料与镍钴锰三元材料按照一定比例混合，混合均匀后于保护气气氛下煅烧，最后冷却，得到氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴包覆的正极材料。

本步骤中，氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料添加量为镍钴锰三元材料质量的0.05-0.5％，煅烧温度为300-600℃，煅烧时间为2-6h。

下面通过具体实施进行说明。

实施例一：

1)将氧化石墨加入含0.025mol/l的l-半胱氨酸水溶液中，氧化石墨浓度为5g/l，超声分散30min后得到混合均匀的水溶液，于80℃下反应1h，得到氮硫共掺杂石墨稀水凝胶，冷冻干燥后得到氮硫共掺杂石墨烯；

2)将步骤1中氮硫共掺杂石墨烯分散于含50mmol/l的co(oac)2·h2o和50mmol/l的na2seo3的二亚乙基三胺溶液中，掺杂型石墨烯浓度为5g/l，超声30min后转移至高压反应釜中，于140℃反应18h，冷却后抽滤并经水洗三次除去杂质，冷冻干燥后得到氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料；

3)将步骤2中的氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料与高镍型镍钴锰三元材料混合，负载型石墨烯添加量为0.1％，混合均匀后于氩气气氛马弗炉中400℃煅烧4h，冷却后得到氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴材料包覆的正极材料。

4)通过调浆、涂布、烘干将步骤3得到的正极材料组成纽扣电池，并进行电池充放电测试。

对比例一：

1)将未进行包覆的高镍型镍钴锰三元材料按照与实施例一相同的方法组装成扣式电池，随后进行电池充放电测试。

2)通过调浆、涂布、烘干将电极材料组成纽扣电池，并进行电池充放电测试。

采用实施例一和对比例一的制备方法制得的纽扣电池所测得的循环寿命及倍率性能曲线图分别如图1和图2所示，结合附图可以看出，实施例一制备的锂电池经过50圈的循环次数后，容量保持率仍达到了98.0％，而对比例一锂电池仅为92.4％，实施例一制备的锂电池倍率从1c-5c电池容量保持率均大于对比例一。因此可知，实施例一的正极材料经过氮硫共掺杂石墨烯负载硒化钴后，循环性能及倍率性能均显著提升，最大限度的改善了材料的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。