CN102623681A - 一种锂离子电池负极竹碳材料 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池负极竹碳材料，以毛竹为原料，将毛竹预烧制、粉碎并球磨至颗粒，然后用硫酸浸泡、加热后洗净，继续煅烧，从而得到本竹碳负极材料；具体制备步骤如下：（1）在430~460℃下预烧竹碳45~50小时；（2）将预烧的竹碳材料粉碎至平均粒径2~3mm，然后球磨至平均粒径5μm；（3）将步骤（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加热至60~90℃恒温搅拌16~20h，竹碳与硫酸的比例为w/v=1:25~33，处理后的竹碳用去离子水清洗至洗液呈中性；（4）将步骤（3）所得竹碳进行高温煅烧，煅烧温度为880~920℃，煅烧时间为4.8~5.2小时，获得最终产品。本发明竹碳负极材料结构稳定、比容量高，其中的金属元素采用酸处理除去，对电解液不敏感，安全性好。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
随着电子科技和信息产业的发展，特别是各种便携式电子设备如移动电话、摄像机、笔记本电脑等向高性能、小型化的方向发展，人们需要高性能的电源作为动力保障。锂离子电池由于具有高电压、高能量密度、自放电小、循环寿命长、无污染和无记忆效应等优点，已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等电器设备上，在电动汽车、卫星、航天航空以及空间军事等领域也显示出了良好的应用前景和潜在的经济效益。
1990年，日本Sony公司首先使用具有石墨结构的碳材料取代金属锂负极，制成了商品化的锂离子蓄电池，极大地推动了锂离子电池碳负极材料的研究。目前，商业化锂离子电池采用的碳负极材料主要是石墨、石油焦和碳纤维等。但这些碳材料大部分是由石油裂解制备获得，属于不可再生资源。而且现在主要使用的天然石墨负极材料与电解液的相容性差，碳负极上发生有机溶剂的不可逆分解和溶剂在石墨层间的共插入都会对电极的行为产生负面影响，使石墨层发生膨胀和收缩，导致其剥落，从而降低循环效率。另外，天然石墨的高度取向性，使其在制备电池极片时不易拉浆制片，充放电过程中易从电极上脱落，不利于大电流充放电。
硬碳以其无规排序所具有的较高容量、低造价和优良循环性能引起了人们的极大兴趣。硬碳是指难石墨化碳，这类碳在2500℃以上的高温也难以石墨化，常见的硬碳有树脂碳（如酚醛树脂、环氧树脂和聚糠醇PFA-C等）、有机聚合物热解碳（如PFA、PVC、PVDF、PAN等）和炭黑（乙炔黑）等。在硬碳中没有平行堆积的结构，只有两种层间关系结构：一种是45%含量的1个硬碳单晶中2个单层距离为0.343nm的结构，其标准偏差为0.09nm；另一种是55%含量的1个硬碳单晶2个单层距离为0.47nm的结构，其标准偏差为0.25nm。由于存在微孔，硬碳的平均层间距是0.42 nm。较大的层间距使其与电解液相容性较好，可以在碳酸丙烯酯（PC）有机电解液体系中正常工作，增大锂离子电池的工作温度范围。硬碳材料属于无序碳，没有明显取向性，制备中易于拉浆制片。竹碳作为硬碳材料的一种，具有制备温度低，生产工艺简单，又是天然和可再生资源，有利于节约石油资源和环保等优点。但竹碳作为一种生物性碳源制备的碳材料，含有较多的金属元素和其他杂质，大大影响其电化学性能。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种锂离子电池负极竹碳材料。本发明竹碳负极材料结构稳定、比容量高，其中的金属元素采用酸处理除去，对电解液不敏感，安全性好。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池负极竹碳材料，以毛竹为原料，将毛竹预烧制、粉碎并球磨至颗粒，然后用硫酸浸泡、加热后洗净，继续煅烧，从而得到本竹碳负极材料。
具体制备步骤如下：
（1）在430~460℃下预烧竹碳45~50小时；
（2）将预烧的竹碳材料粉碎至平均粒径2~3mm，然后球磨至平均粒径5??m；
（3）将步骤（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加热至60~90℃恒温搅拌16~20h，竹碳与硫酸的比例为w/v=1:25~33，处理后的竹碳用去离子水清洗至洗液呈中性；
（4）将步骤（3）所得竹碳进行高温煅烧，煅烧温度为880~920℃，煅烧时间为4.8~5.2小时，获得最终产品。
所述步骤（3）中，硫酸浓度为95~98%，处理后的竹碳用去离子水洗至洗液为中性，在50~80℃烘干。所述步骤（4）中，煅烧的煅烧气氛为氮气，升温速率为1℃/min。
本发明有益的技术效果在于：
本发明以天然植物竹子为原料制备锂离子电池用负极材料，属于绿色可再生资源，而且中国竹材资源丰富适用大规模应用。本发明竹碳负极材料具有碳材料结构稳定性的特点有优异的循环性能，相比石墨负极材料竹碳内部为立体网络结构而不是层状结构，在充放电过程中不易发生溶剂共嵌入现象，所以对电解液有较好的耐受性，适用于多种电解液。竹碳材料充放电曲线呈长斜坡状，不同于石墨负极的长平台状，充放电电位远离锂金属的析出电位，因此比石墨负极材料有更高的安全性。
附图说明
图1为实施例1所得竹碳负极材料的扫描电镜图；
图2为实施例1所得竹碳负极材料的循环性能图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
（1）在450℃下预烧竹碳48小时；
（2）将预烧的竹碳材料粉碎至平均粒径2mm，然后将材料置于球磨罐内控制磨球质量与材料质量为15:1，以旋转速率400转/分球磨1小时，球磨至平均粒径5??m；
（3）将步骤（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加热至80℃恒温搅拌18h，竹碳与硫酸的比例为1:30（w/v），硫酸浓度为98%，处理后的竹碳用去离子水清洗至洗液呈中性，在80℃烘干；
（4）将步骤（3）所得竹碳进行高温煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为5小时，煅烧气氛为氮气，升温速率为1℃/min，获得最终产品。
实施例2：
（1）在430℃下预烧竹碳50小时；
（2）将预烧的竹碳材料粉碎至平均粒径3mm，然后将材料置于球磨罐内控制磨球质量与材料质量为15:1，以旋转速率400转/分球磨1小时，球磨至平均粒径5??m；
（3）将步骤（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加热至60℃恒温搅拌20h，竹碳与硫酸的比例为w/v=1:33，硫酸浓度为95%，处理后的竹碳用去离子水清洗至洗液呈中性，在60℃烘干；
（4）将步骤（3）所得竹碳进行高温煅烧，煅烧温度为880℃，煅烧时间为5.2小时，煅烧气氛为氮气，升温速率为1℃/min，获得最终产品。
实施例3：
（1）在460℃下预烧竹碳45小时；
（2）将预烧的竹碳材料粉碎至平均粒径3mm，然后将材料置于球磨罐内控制磨球质量与材料质量为15:1，以旋转速率400转/分球磨1小时，球磨至平均粒径5??m；
（3）将步骤（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加热至90℃恒温搅拌16h，竹碳与硫酸的比例为w/v=1:25，硫酸浓度为95%，处理后的竹碳用去离子水清洗至洗液呈中性，在50℃烘干；
（4）将步骤（3）所得竹碳进行高温煅烧，煅烧温度为920℃，煅烧时间为4.8小时，煅烧气氛为氮气，升温速率为1℃/min，获得最终产品。
性能测试：
图1为实施例1所得竹碳负极材料的扫描电镜图，从图中可以看出竹碳颗粒为不规则块状，平均粒径约为5??m。
表1为实施例1硫酸处理前后竹碳中金属含量变化，测试方法为取少量竹碳称量后，在空气中烧成灰烬，收集灰烬用硝酸溶解，滤去不溶物，用电感耦合等离子体光谱仪（ICP）测定。由表1可以看到经过18小时硫酸处理后K含量由0.62%减少到0.031%，Na含量由0.354%减少到0.046%，Ca含量由0.32%减少到0.055%。这些碱金属元素在竹碳中以离子形态存在，阻碍了锂离子的嵌入，所以当碱金属元素含量降低后样品的放电比容量得到提高。同时竹碳表面基团呈酸性，锂离子与其中H置换后在放电时较易脱出，这也增加了样品的放电容量。
表1
图2为实施例1所得竹碳负极材料的循环性能图。先把竹碳材料制备为电池，制备方法为：竹碳材料:粘结剂（聚偏氟乙烯，PVDF）=9:1（质量比），用N-甲基吡咯烷酮 （NMP）调浆涂膜，干燥后切成14 mm圆形极片,对电极为锂片，惰性气体保护下制成2016扣式电池。然后进行循环性能测试，充放电在武汉LAND电池测试系统（型号：CT2100A）上进行，恒电流50mA/g充放电，电压0~2 V。
从图中可以看出，未经硫酸处理的竹碳在50mA/g的电流密度下，首次放电容量为208 mAh/g，50圈后可逆比容量的保持率为86%。与之相比，18小时硫酸处理的竹碳材料电化学性能有大幅提高，首次放电容量为328mAh/g，50圈后可逆比容量的保持率为92%。首次库伦效率也从硫酸处理前的64%提高到71%，由此表明硫酸处理能大大改善竹碳的储锂性能。
Claims (4)
1.一种锂离子电池负极竹碳材料，以毛竹为原料，其特征在于将毛竹预烧制、粉碎并球磨至颗粒，然后用硫酸浸泡、加热后洗净，继续煅烧，从而得到本竹碳负极材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极竹碳材料，其特征在于具体制备步骤如下：
（1）在430~460℃下预烧竹碳45~50小时；
（2）将预烧的竹碳材料粉碎至平均粒径2~3mm，然后球磨至平均粒径5??m；
（3）将步骤（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加热至60~90℃恒温搅拌16~20h，竹碳与硫酸的比例为w/v=1:25~33，处理后的竹碳用去离子水清洗至洗液呈中性；
（4）将步骤（3）所得竹碳进行高温煅烧，煅烧温度为880~920℃，煅烧时间为4.8~5.2小时，获得最终产品。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池负极竹碳材料，其特征在于所述步骤（3）中，硫酸浓度为95~98%，处理后的竹碳用去离子水洗至洗液为中性，在50~80℃烘干。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池负极竹碳材料，其特征在于所述步骤（4）中，煅烧的煅烧气氛为氮气，升温速率为1℃/min。
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