CN102978992B - 锂离子电池硅导电纳米纸电极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池电极材料的制备，具体是一种锂离子电池硅导电纳米纸电极材料的制备方法。该方法包括以下步骤：a.基体材料的制备，获得基体材料泥浆；b.碳纳米管气凝胶制备；c.在纸浆的基础上制造普通纸；d.制备碳纳米管涂层的纸张：将碳纳米管气凝胶和十二烷基苯磺酸钠溶解在去离子水中，制成涂料；将涂料涂覆在步骤c获得的纸表面，待涂层干燥后得到硅导电纳米纸电极材料。本发明制备工艺简单、成本低，可显著提高材料的容量。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池电极材料的制备，具体是一种锂离子电池硅导电纳米纸电极材料的制备方法。
背景技术
硅合金阳极材料因为其含量丰富、成本低和高储能能力（4200mAh/g）而备受关注，然而，锂从硅结构中嵌入和脱嵌时会伴随一个巨大的体积变化（最高达到400%），这会在硅颗粒表面产生强烈应力，导致硅颗粒破碎进而容量快速衰减。为了克服这个问题，一些方法已被建议，包括制备纳米材料复合，活性/惰性复合材料和硅基碳复合材料。最近纤维素-石墨纳米复合材料已被证明可以作为一个锂离子电池灵活的电极。然而，使用石墨电极会限制整体电性能的发挥。在这种结构上使用硅基复合材料进行改性，将在很大程度上提高锂离子电池的电化学性能。另一方面，电子和离子的快速运输是影响储能装置高倍率性能的重要因素。导电凝胶碳纳米管（碳纳米管）已被证明具有开放的通道和可调节的结构并且显示出良好力学性能，这种结构为离子的快速运输提供了一个优秀的平台。然而，这些结构尚未被应用于锂离子电池的探索。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高电池容量、制备工艺简单、成本低的锂离子电池硅导电纳米纸电极材料的制备方法。
本发明的锂离子电池硅导电纳米纸电极材料的制备方法包括以下步骤：
a.基体材料的制备：首先，将纤维素溶解在去离子水中，同时使用乙醇作为交 换溶剂；其次是实现羧甲基化步骤：浸渍于2wt%的氯乙酸的异丙醇溶液，过滤并且使用去离子水进行冲洗；接着进行羧基的转换，使用4wt%碳酸氢钠浸渍；得到的纤维再使用去离子水冲洗，去除多余的盐，然后通过高压均质机进行均匀化处理，获得基体材料泥浆；
b.碳纳米管气凝胶制备:使用pg90玻璃纤维过滤器，将基体材料泥浆在室温下通过一层0.1毫米的混合纤维素酯膜；然后转移到铝模中，浸渍在液态氮中快速凝固；在冷冻干燥机中，在-50度和50mbar气压下保存24小时以确保结构不会坍塌；最后，在140℃下使用真空炉热处理30分钟获得气凝胶；
c.在纸浆的基础上制造普通纸:将针叶木浆浸泡在混合器中3－4小时，纸浆脱水得到纸坯，在93℃下施加70mbar模具压力10－15min，得到2达克/米的纸；
d.制备碳纳米管涂层的纸张：将碳纳米管气凝胶和十二烷基苯磺酸钠溶解在去离子水中，制成涂料；涂料中碳纳米管浓度1毫克/毫升，十二烷基苯磺酸钠浓度1wt%；然后，将涂料涂覆在步骤c获得的纸表面，在真空烘箱中100℃下处理10min，待涂层干燥后得到硅导电纳米纸电极材料。
本发明制备工艺简单、成本低，可显著提高材料的容量。
具体实施方式
本发明方法的实施例包括以下步骤：
a.基体材料的制备：首先，将纤维素溶解在去离子水中，同时使用乙醇作为交换溶剂；其次是实现羧甲基化步骤：浸渍于2wt%的氯乙酸的异丙醇溶液，过滤并且使用去离子水进行冲洗；接着进行羧基的转换，使用4wt%碳酸氢钠浸渍；得到的纤维再使用去离子水冲洗，去除多余的盐，然后通过高压均质机进行均匀化处理，获得基体材料泥浆；
b.碳纳米管气凝胶制备:使用pg90玻璃纤维过滤器，将基体材料泥浆在室温下通过一层0.1毫米的混合纤维素酯膜；然后转移到铝模中，浸渍在液态氮中快速凝固；在冷冻干燥机中，在-50度和50mbar气压下保存24小时以确保结构不会坍塌；最后，在140℃下使用真空炉热处理30分钟获得气凝胶；
c.在纸浆的基础上制造普通纸:将针叶木浆浸泡在混合器中3－4小时，纸浆脱水得到纸坯，在93℃下施加70mbar模具压力10－15min，得到2达克/米的纸；
d.制备碳纳米管涂层的纸张：将碳纳米管气凝胶和十二烷基苯磺酸钠溶解在去离子水中，制成涂料；涂料中碳纳米管浓度1毫克/毫升，十二烷基苯磺酸钠浓度1wt%；然后，将涂料涂覆在步骤c获得的纸表面，在真空烘箱中100℃下处理10min，待涂层干燥后得到硅导电纳米纸电极材料。
本发明实施例获得的硅导电纳米纸电极材料，其性能检测结果如下：
1、电镜下显示其具有良好的多孔结构，有利于离子的嵌入和脱嵌；
2、首次放电为5000毫安/克，超越理论值（4200毫安时/克）；
3、经过100周充放电后，放电效率仍保持83%，放电容量高于2100毫安时/克，相当于石墨理论容量的三倍；
4、即使在2C倍率下高速充放电（30分钟充电/放电），容量仍保持1000毫安时/克，两倍于石墨的理论容量。
Claims (1)
1.一种锂离子电池硅导电纳米纸电极材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤，
a.基体材料的制备：首先，将纤维素溶解在去离子水中，同时使用乙醇作为交换溶剂；其次是实现羧甲基化步骤：浸渍于2wt％的氯乙酸的异丙醇溶液，过滤并且使用去离子水进行冲洗；接着进行羧基的转换，使用4wt％碳酸氢钠浸渍；得到的纤维再使用去离子水冲洗，去除多余的盐，然后通过高压均质机进行均匀化处理，获得基体材料泥浆；
b.碳纳米管气凝胶制备:使用pg90玻璃纤维过滤器，将基体材料泥浆在室温下通过一层0.1毫米的混合纤维素酯膜；然后转移到铝模中，浸渍在液态氮中快速凝固；在冷冻干燥机中，在-50℃和50mbar气压下保存24小时以确保结构不会坍塌；最后，在140℃下使用真空炉热处理30分钟获得气凝胶；
c.在纸浆的基础上制造普通纸:将针叶木浆浸泡在混合器中3－4小时，纸浆脱水得到纸坯，在93℃下施加70mbar模具压力10－15min，得到2达克/米的纸；
d.制备碳纳米管涂层的纸张：将碳纳米管气凝胶和十二烷基苯磺酸钠溶解在去离子水中，制成涂料；涂料中碳纳米管浓度1毫克/毫升，十二烷基苯磺酸钠浓度1wt％；然后，将涂料涂覆在步骤c获得的纸表面，在真空烘箱中100℃下处理10min，待涂层干燥后得到硅导电纳米纸电极材料。
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