适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，尤其是涉及对用于锂离子电池的电极材料
进行有效碳包覆的方法，具体的，其展示一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方
法。
背景技术
随着全球对环境问题的重视，新能源汽车迅猛发展，锂离子电池被认为是当前最
具有发展潜力的车用动力电池，开发具有高安全性，长使用寿命可实现快速充放电的锂离
子电池是业界研究的主要内容。
电极材料是锂离子电池的关键组成部分，它的性质很大程度上影响电池整体的性
能。但是目前常见的电池材料，如磷酸铁锂，钛酸锂等，都存在电导率低的问题，细化电极材
料大小，优化电极材料晶粒以及对电极材料进行有效的表面包覆是目前改善电极材料导电
性最常用的手段。
喷雾干燥法是一种常用的制备电极材料的手段，通过将物料分散在水溶液中，雾
化后与热空气接触，瞬间将物料颗粒间的水分除去，形成具有一定尺度和形貌的二次粒子；
利用喷雾干燥制备电极材料的一般过程为：
称取按照化学计量比的金属盐或金属氧化物粉末与锂源(一般为碳酸锂或者氢氧
化锂)，加入一定量的去离子水后置于球磨机中进行球磨搅拌混合处理，球磨时间为若干小
时，以保证材料的均匀混合以及大颗粒的细化程度，将球磨后的浆料放入烘箱内进行干燥
处理，处理温度和时间需保证粉料完全烘干。随后对固体粉料进行煅烧预处理或直接将粉
料与去离子水配置成一定固含量的水系浆料后，进行喷雾干燥处理，得到电极材料的前驱
体粉料。最后按照不同电极材料的煅烧条件，对前驱体粉料进行煅烧处理。如图1所示，为利
用喷雾干燥法获得的未进行包碳处理的钛酸锂(a)和镍锰酸锂(b)的扫描电镜图，其表面为
具有一定尺度和形貌的二次粒子；
利用喷雾干燥法得到的电极材料，由于二次粒子的特殊结构，利用传统的固相混
合或者浸泡回流等方法，并不能够在材料的表面形成有效的碳包覆，而且额外的制备工艺，
会进一步增加企业的生产成本。
因此，有必要提供一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法来解决上述
问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法，其基于
喷雾干燥法制备电极材料，在喷雾干燥法制备电极材料过程中，能够在电极材料表面形成
有效的炭包覆层，减少额外的制备工艺，便于企业生产成本的优化。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：
一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法，包括如下步骤：
1)将碳包覆材料加入到去离子水中，配制成碳包覆材料分散液；
2)将用于制备正极材料或正极材料的前驱体的固体粉料或混合物加到碳包覆材
料分散液中，并进行持续搅拌，形成具有相应固含量的水系浆料；
3)喷雾干燥得到固体粉末；
4)将固体粉末置于惰性气体氛围下，并以5-10℃/min升温至400-900℃进行高温
炭化处理，并得到有效炭包覆的正极材料或正极材料的前驱体。
进一步的，配制碳包覆材料分散液添加的碳包覆材料质量为相对于电极材料质量
1-5％。
进一步的，步骤2)中的水系浆料的固含量为20-40wt％。
进一步的，步骤3)前需要对步骤2)中的水系浆料进行球磨处理。
进一步的，步骤2)中，搅拌时间为30min。
进一步的，步骤4)的持续时间为3-15h。
进一步的，所述电极材料或电极材料的前驱体为钛酸锂、镍锰酸锂、锰酸锂、镍钴
锰或镍钴铝三元正极材料。
进一步的，碳包覆材料以水溶性糖类为主，所述水溶性糖类为葡萄糖、蔗糖、麦芽
糖或乳糖的至少一种。
进一步的，步骤4)中的惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围。
其中：
1)配制碳包覆材料分散液添加的碳包覆材料质量为相对于电极材料质量1-5％，
能够充分对电极材料或电极材料的前驱体进行包覆，量少包覆不充分，量多了可能会堵塞
颗粒孔道，影响电极材料的性能；
2)高温碳化处理的温度在400-900℃，温度太低碳化不彻底，温度太高会增加能
耗；
3)高温碳化处理的时间为3-15h，能够充分进行炭化，但需包覆的是电极材料的前
驱体时，可根据实际情况，适当提高煅烧温度和时间；
4)高温碳化处理的升温速率为5-10℃/min，该升温速率能够同时保证炭化效率和
炭化效果；
5)高温碳化处理的气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，能够保证包覆材料碳化并包
覆在电极材料的表面。
与现有技术相比，本发明的一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法，
其基于喷雾干燥法制备电极材料，在喷雾干燥法制备电极材料过程中，能够在电极材料表
面形成有效的炭包覆层，减少额外的制备工艺，便于企业生产成本的优化。
附图说明
图1为通过现有的喷雾干燥获得的电极材料(a)钛酸锂和(b)镍锰酸锂的扫描电镜
图；
图2为实施例1中碳包覆过后钛酸锂的扫描电镜图；
图3为实施例2中碳包覆前后镍锰酸锂的阻抗结果对比图；
图4为实施例3中碳包覆前后钛酸锂的倍率性能对比图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例展示一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法，包括如下步
骤：
1)将3wt％的蔗糖加入到去离子水中，配制成碳包覆材料分散液；
2)按化学计量数比称取碳酸锂和二氧化钛，加入一定量的去离子水后置于球磨机
中进行搅拌球磨处理，球磨时间为5小时，将球磨后的浆料放入烘箱中进行干燥处理，干燥
温度为100℃，时间为8小时；随后将固体粉料，置于马沸炉中进行煅烧预处理，煅烧温度为
800℃，保持时间为1小时，升温速率为10℃/min。
3)将固体粉料加入碳包覆材料分散液进进行持续搅拌，得到固含量为30％水系浆
料；
4)在球磨机中进行搅拌球磨处理，搅拌时间为30min，球磨时间为5h；
5)取出浆料进行喷雾干燥，收集粉料，置于管式炉内在高纯氩气氛围下进行高温
炭化处理，温度为800℃，保持时间为12小时，升温速率为5℃/min。
其中：
1)钛酸锂，镍锰酸锂，锰酸锂，镍钴锰和镍钴铝三元正极材料，均可适用于本方法；
2)碳包覆材料以水溶性糖类为主，其还可包括葡萄糖，麦芽糖，乳糖的至少一种；
3)步骤5)中，可利用氮气替代氩气。
按实施例1得到的钛酸锂电极材料，如图2a所示，对比图1a中未进行碳包覆的钛酸
锂材料，本实施例的方法并不会破坏或影响材料二次球形结构的形成，并且从图2b中可以
看出包覆的碳材料很好地分散和包覆在材料的表面和孔道内。
实施例2：
本实施例展示一种适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法，包括如下步
骤：
1)将2wt％的葡萄糖加入到去离子水中，配制成碳包覆材料分散液；
2)按化学计量数比称取碳酸锂，氧化镍，二氧化锰粉末加入一定量的去离子水后
置于球磨机中进行搅拌球磨处理，球磨时间为5小时，将球磨后的浆料放入烘箱中进行干燥
处理，干燥温度为100℃，时间为8小时；随后将固体粉料，置于马沸炉中进行煅烧预处理，煅
烧温度为900℃，保持时间为12小时，升温速率为10℃/min，随后降温至700℃进行退火处
理，保持时间为8小时，降温速度为5℃/min；
3)将固体粉料加入碳包覆材料分散液进进行持续搅拌，得到固含量为35％水系浆
料；
4)在球磨机中进行搅拌球磨处理，搅拌时间为30min，球磨时间为5h；
5)取出浆料进行喷雾干燥，收集粉料，置于管式炉内在高纯氩气氛围下进行高温
炭化处理，温度为7800℃，保持时间为2小时，升温速率为5℃/min。
其中：
1)钛酸锂，镍锰酸锂，锰酸锂，镍钴锰和镍钴铝三元正极材料，均可适用于本方法；
2)碳包覆材料以水溶性糖类为主，其可为蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、乳糖的至少一种；
3)步骤5)中，可利用氮气替代氩气。
所得到的镍锰酸锂材料的电化学性能都是通过装配成2032扣式电池后测得的，电
池的装配过程在手套箱中进行操作。以锂片为负极，celgard2400为隔膜，1mol/L LiFP6/
EC:DMC(1:1)为电解液，其中EC为碳酸乙烯酯，DMC为碳酸二甲酯。将实施例2得到的镍锰酸
锂材料(包碳后)与未进行包碳处理的镍锰酸锂材料进行阻抗性能的对比测试，从图3中可
以看出电极材料进行碳包覆处理后，界面电阻减小，使得锂离子在材料中嵌入/脱出更容
易。
实施例3：
本实施例的具体实验步骤与实施例1中相同，以钛酸锂为例，记录不同碳包覆量对
于电极材料锂电性能的影响。
具体以葡萄糖为碳包覆材料，葡萄糖的加入量为电极材料总质量的1wt％，3wt％，
5wt％。将获得的电极材料：未进行碳包覆的钛酸锂，碳包覆量为3wt％的钛酸锂，碳包覆量
为5wt％的钛酸锂组装成2032扣式电池进行材料的倍率性能测试，扣式电池的组装步骤与
实施例2中相同。
参照图4，从实验结果中可以看出，碳包覆能显著提高钛酸锂作为锂离子电池电极
材料时的倍率性能。尽管材料的可逆容量(低电流充放电下)由于活性材料的减少有所下
降，但是在大倍率下充放电时，碳包覆过后的电极材料表现出尤为突出的可逆容量。此外，
对比不同碳包覆量的钛酸锂可以看出，碳包覆量的多少对电极材料的锂电性能有很大的影
响，过多的碳包覆可能会堵塞多孔结构的孔道，减少电解液与材料表面的接触，影响锂离子
在电极材料中扩散效率。
综合实施例1-3，适用于喷雾干燥法制备电极材料的碳包覆方法，在喷雾干燥法制
备电极材料过程中，能够在电极材料表面形成有效的炭包覆层，减少额外的制备工艺，便于
企业生产成本的优化。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不
脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范
围。