基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法。

背景技术：

锂离子电池的主要构成材料包括电解液、隔离材料、正负极材料等。正极材料占有较大比例(正负极材料的质量比为3:1—4：1),因为正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。

锂离子电池正极的每一点进步都会给锂离子电池的性能带来很大的改善，当然也会给材料加工带来一些困难。正极材料可从锂铁磷酸盐、锰酸锂、锂钴或镍钴锰三元材料中选择。

其中磷酸铁锂这种材料，拥有出色的安全性能和循环寿命，并且拥有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛等优点，是非常理想的锂离电池正极材料。但磷酸铁锂堆积密度低和导电性差的缺点阻碍了其实际应用。

为了提高导电性，业内人士在材料中参入了导电石墨等碳材料，但这样有会降低材料的堆积密度。

通过数据分析发现，掺碳磷酸铁锂的振实密度一般只有1.0—1.2g/cm³，而商品钴酸锂的振实密度一般为2.0—2.4g/cm³，过低的堆积密度使得磷酸铁锂的体积比容量与钴酸锂相差很多，制成的电池体积较大；另外，掺杂的导电石墨通常为球形，与磷酸铁锂形成点接触，为了形成良好的通路，掺杂量较大，从而导致磷酸铁锂正极材料的体积较大，难以安装。

数据分析发现，现有的磷酸铁锂正极材料制作方法，不能兼顾磷酸铁锂正极材料的导电性与振实密度。

技术实现要素：

本发明针对数据分析发现，现有的磷酸铁锂正极材料制作方法，不能兼顾磷酸铁锂正极材料的导电性与振实密度的问题，提供了一种基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法。

本发明提供的基础方案为：

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括：

s1、将磷酸铁锂与石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨3—20h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡20—40min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入粘结剂，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与粘结剂混合、匀浆及干燥，再于180—220℃下真空处理，得到锂离子电池正极材料。

基础方案工作原理及有益效果：

1本发明制备的磷酸铁锂/石墨烯复合材料中石墨烯与包覆在复合材料表面的石墨烯纳米片可提高正极材料的导电性，提高电池的功率密度、充放电速度及电容量，降低了导电材料的用量，减小了正极材料的体积，放电比容量高达169.5mah·g^-1，10c倍率1000次循环后比容量保持率大于83％。

2本申请对磷酸铁锂/石墨烯复合材料采用造粒的制备工艺，在保证正极材料导电性的同时提高了其振实密度，减小了导电碳材料的体积。

3以石墨烯纳米片(石墨烯是一种单原子层的碳材料，工业上可大规模生产的多为1—10个原子层，通常称之为石墨烯纳米片)作为磷酸铁锂锂电池正极材料中的导电材料，可在保证磷酸铁锂正极材料导电性能的同时提高其振实密度，可提高锂电池功率密度、充放电速度及电容量。

进一步，s1中，磷酸铁锂与石墨烯混合的质量比为80:1—1:1。

这个质量比的磷酸铁锂与石墨烯混合后，制作出的锂电池正极材料性能较好。

进一步，s1中，磷酸铁锂与石墨烯混合的质量比为20:1。

这个质量比的磷酸铁锂与石墨烯混合后，制作出的锂电池正极材料性能出色。

进一步，s1中，高能球磨的球料比为11:1—10:1。

这个比例的高能球磨，制作出的锂电池正极材料性能较好。

进一步，粘结剂为海藻酸钠、壳聚糖、羟甲基纤维素钠或聚丙烯酸。

这几种材料作为粘结剂的效果较好。

进一步，s4中，粘结剂与复合材料中磷酸铁锂的质量比1:1—1:50。

这个质量比的粘结剂与复合材料中磷酸铁锂制作出的锂电池正极材料的性能较为出色。

进一步，s5中，磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒中磷酸铁锂与石墨烯的质量比为70:1—1:1。

这个质量比的磷酸铁锂与石墨烯制作的锂电池正极材料的性能较好。

进一步，s5中，磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒中磷酸铁锂与石墨烯的质量比为20:1。

这个质量比的磷酸铁锂与石墨烯制作的锂电池正极材料的性能出色。

进一步，s6中，粘结剂与复合材料中磷酸铁锂的质量比1:1—1:50。

这个质量比的粘结剂与复合材料中磷酸铁锂制作出的电池正极材料的性能较好。

进一步，s6中，真空处理的温度为200℃。

这个温度下，制作出的电池正极材料的性能出色。

附图说明

图1为本发明基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法实施例1的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将100g磷酸铁锂与5g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨10h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入10g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与5g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

实施例2

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将100g磷酸铁锂与10g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨15h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入15g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与8g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

实施例3

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将80g磷酸铁锂与5g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨8h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入6g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与4g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

实施例4

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将100g磷酸铁锂与6g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨15h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入8g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与6g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空210℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

实施例5

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将100g磷酸铁锂与10g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨20h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入15g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与10g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与8g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

对比例1

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将100g磷酸铁锂与5g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨10h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入10g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

对比例2

基于数据分析的锂离子电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将100g磷酸铁锂与5g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨10h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡30min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s5、将s4得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用。

将所得正极材料组装成2025扣式电池，在2.5—4.2v电压范围内测试其容量及循环性能，结果如表1所示，实施例1中所得产品的放电比容量高达169.5mah·g^-1，10c倍率1000次循环后比容量保持率大于83％。

通过实施例1与对比例1可知，磷酸铁锂/石墨烯复合材料中石墨烯与包覆在复合材料表面的石墨烯纳米片的共同作用有利于正极材料性能的提高；

通过实施例1与对比例2可知，采用造粒工艺提高了正极材料的容量及循环性能。

表1

实施例6

与实施例1不同的是，本实施例包括：

s1、将100g磷酸铁锂与5—10g石墨烯放入不锈钢磨罐中进行混合，用高能球磨10—20h，得到均匀的混合物；

s2、将得到的均匀混合物加入到20ml无水乙醇溶液中超声振荡20—40min后，在80℃下搅拌直至混合物呈糊状；

s3、将糊状混合物在100℃烘箱中烘干、研磨，再通过325目筛筛分，得到磷酸铁锂/石墨烯复合材料；

s4、在磷酸铁锂/石墨烯复合材料中加入10—15g聚丙烯酸，造粒得1—10μm的磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒；

s5、将磷酸铁锂/石墨烯复合材料微粒与5—10g石墨烯纳米片在混粉机中混合；

s6、将s5得到的包覆有石墨烯纳米片的磷酸铁锂/石墨烯复合材料与5g聚丙烯酸混合，并加入20ml水，搅拌，制成浆料，将其涂抹于铝箔集流体上，待干燥后，进行高温真空200℃处理，即可作为锂离子电池电极材料应用；

s7、将所得正极材料组装成2025扣式电池，在2.5—4.2v电压范围内测试其容量及循环性能，测得其放电比容量及10c倍率1000次循环后比容量保持率；

s8、将s1中磷酸铁锂与石墨烯混合的质量比、高能球磨时间，s2中的超声震荡时间，s4中聚丙烯酸与复合材料中磷酸铁锂的质量比作为输入参数，将s7得到的放电比容量及1000次循环后比容量保持率作为输出参数，进行bp神经网络建模。

bp神经网络是一种按照误差逆向传播算法训练的多层前馈神经网络，只需要输入参数与输出参数进行训练，在训练量达到一定程度的量级后，能后得出输出参数与输出参数之间的关系，并对这个关系不断的进行修正。

这样，通过bp神经网络建模，将每一次的试验参数都运用了起来，并且能够以每一次的试验结果对模型进行修正，使每一次的试验参数都能发挥其他作用。在试验参数足够时，能够利用bp神经网络模型进行参数的模拟选择，使后期的试验可控性更强。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。