一种正极材料及其制备方法、电池、用电装置与流程

本发明属于电池，具体涉及一种正极材料及其制备方法、电池、用电装置。

背景技术：

1、随着电子产品、新能源电动车和储能行业的发展，对于电池的要求也逐步提升，正极材料作为电池的关键材料，其电化学性能对于电池的循环容量和寿命有着重要的影响，现有常用的正极材料主要为含锂的过渡金属复合氧化物和含锂磷酸盐基材料等，其中，磷酸铁锂由于其优越的热稳定性、成本效益和新兴的先进电池包装技术的突破，正日益成为电动汽车和储能系统的首选解决方案。然而，磷酸铁锂固有的低电子电导率和离子电导率严重限制了其在高倍率条件下的容量发挥。此外，在高倍率充放电条件下，电极表面和内部所发生的化学机械降解会诱发电解质快速消耗，导致电极表面钝化层增厚，锂离子扩散降低，长循环稳定性变差。

2、对于磷酸铁锂正极的改性，目前大多数研究采用碳包覆、纳米化和元素掺杂等技术路线，其中表面碳包覆是最为常见的改性方法。然而，现有的大多数研究基本集中在单一碳层的制备上，主要提升磷酸铁锂正极表面的电导率以及离子迁移率，增强颗粒间的导电性，提升其充放电容量。但是，现有的包覆碳层包覆质量较差，且包覆完整性不足，无法帮助磷酸铁锂正极在电化学循环过程中获得高稳定界面结构，难以抑制化学机械降解问题，无法实现优异的高倍率长循环性能。因此，开发一种简单、高效、低成本的方法来同时提升磷酸铁锂正极的电导率和电化学循环界面稳定性，对于提高磷酸铁锂电池的快充/快放性能和使用寿命具有非常积极的作用。

技术实现思路

1、针对现有正极活性材料存在界面稳定性和电导率不足的问题，本发明提供了一种正极材料及其制备方法、电池、用电装置。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供了一种正极材料，包括正极颗粒以及位于所述正极颗粒外侧的石墨烯包覆层，所述石墨烯包覆层为碳酸锂和硼掺杂的石墨烯复合层。

4、可选的，以所述石墨烯包覆层的总质量为100%计，所述碳酸锂的质量百分含量为0.6%~2%。

5、可选的，以所述石墨烯包覆层的总质量为100%计，所述硼的质量百分含量为0.2%~0.6%。

6、可选的，所述石墨烯包覆层的厚度为3~20nm。

7、可选的，所述正极颗粒包括正极活性材料，所述正极活性材料包括含锂过渡金属氧化物、含锂磷酸盐基材料、富锂锰基材料中的一种或多种。

8、可选的，所述正极活性材料选自磷酸铁锂。

9、可选的，所述正极颗粒的粒径为0.6~1um。

10、可选的，所述正极颗粒还包括有碳包覆层，所述碳包覆层位于所述正极活性材料的外表面，所述石墨烯包覆层位于所述碳包覆层的外表面。

11、可选的，所述碳包覆层的厚度为5~10nm。

12、再一方面，本发明提供了一种电池，包括正极、负极和电解质，所述正极包括正极材料层，所述正极材料层包括如上所述的正极材料。

13、再一方面，本发明提供了如上所述的正极材料的制备方法，包括以下操作步骤：

14、将硼氢化锂施加于正极颗粒的表面，得到前驱体；

15、将前驱体置于保护性气氛中加热脱氢，再转至co2气氛下反应得到碳酸锂，以及原位生长的石墨烯，得到碳酸锂和硼掺杂的石墨烯复合层。

16、可选的，将硼氢化锂施加于正极颗粒的表面的方法包括：

17、将硼氢化锂分散于溶剂中，得到硼氢化锂溶液；

18、将硼氢化锂溶液施加于正极颗粒表面，烘干得到前驱体。

19、可选的，所述硼氢化锂和所述正极颗粒的质量比为0.004~0.008：1。

20、可选的，加热脱氢的加热温度为600℃~700℃，保温时间为5-12h。

21、可选的，转至co2气氛后的加热温度为250℃~400℃，保温时间为1~8h。

22、再一方面，本发明提供了一种用电装置，包括如上所述的电池。

23、根据本发明提供的正极材料，在正极颗粒的外侧包覆有石墨烯包覆层，所述石墨烯包覆层为碳酸锂和硼掺杂的石墨烯复合层，其中，碳酸锂组分在电池活化阶段受硼掺杂石墨烯原位催化，可与电解液中的六氟磷酸锂快速反应转为lif，促使正极材料表面形成富含无机组分的固态电解质膜(cei)，该固态电解质膜能够提高电极界面稳定性，能够抑制循环过程中正极材料的化学机械降解，同时减少电解液在正极界面上的分解产气，提升正极和电解液的循环稳定性。同时，硼掺杂石墨烯能够显著提升正极材料的电子电导率和离子扩散性能，增强高倍率充放电条件下的容量发挥。

技术特征：

1.一种正极材料，其特征在于，包括正极颗粒以及位于所述正极颗粒外侧的石墨烯包覆层，所述石墨烯包覆层为碳酸锂和硼掺杂的石墨烯复合层。

2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，以所述石墨烯包覆层的总质量为100%计，所述碳酸锂的质量百分含量为0.6%~2%。

3.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，以所述石墨烯包覆层的总质量为100%计，所述硼的质量百分含量为0.2%~0.6%。

4.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述石墨烯包覆层的厚度为3~20nm。

5.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极颗粒包括正极活性材料，所述正极活性材料包括含锂过渡金属氧化物、含锂磷酸盐基材料、富锂锰基材料中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的正极材料，其特征在于，所述正极活性材料选自磷酸铁锂。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的正极材料，其特征在于，所述正极颗粒的粒径为0.6~1um。

8.根据权利要求5所述的正极材料，其特征在于，所述正极颗粒还包括有碳包覆层，所述碳包覆层位于所述正极活性材料的外表面，所述石墨烯包覆层位于所述碳包覆层的外表面。

9.根据权利要求8所述的正极材料，其特征在于，所述碳包覆层的厚度为5~10nm。

10.一种电池，其特征在于，包括正极、负极和电解质，所述正极包括正极材料层，所述正极材料层包括如权利要求1~9任意一项所述的正极材料。

11.如权利要求1~9任意一项所述的正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

12.根据权利要求11所述的正极材料的制备方法，其特征在于，将硼氢化锂施加于正极颗粒的表面的方法包括：

13.根据权利要求11或12所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述硼氢化锂和所述正极颗粒的质量比为0.004~0.008：1。

14.根据权利要求11所述的正极材料的制备方法，其特征在于，加热脱氢的加热温度为600℃~700℃，保温时间为5-12h。

15.根据权利要求11所述的正极材料的制备方法，其特征在于，转至co2气氛后的加热温度为250℃~400℃，保温时间为1~8h。

16.一种用电装置，其特征在于，包括如权利要求10所述的电池。

技术总结为克服现有正极活性材料存在界面稳定性和电导率不足的问题，本发明提供了一种正极材料，包括正极颗粒以及位于所述正极颗粒外侧的石墨烯包覆层，所述石墨烯包覆层为碳酸锂和硼掺杂的石墨烯复合层。同时，本发明还公开了上述正极材料的制备方法以及包括上述正极材料的电池和用电装置。本发明提供的正极材料具有较优的循环稳定性、电子电导率和离子扩散性能，有利于增强高倍率充放电条件下的容量发挥。技术研发人员：张安伟,王成运,马冰洁,朱计划,刘伟,周友受保护的技术使用者：广州汽车集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6