CN103441242B - 基于化学活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于化学活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法。将剑麻纤维揉搓、洗涤和烘干；用质量分数为15-25%的ZnCl2溶液按ZnCl2和剑麻纤维的质量比为2-6:1浸渍比浸泡24小时，用去离子水冲洗，80-100℃经12-24小时烘干；置于真空管式电阻炉中，在气体流量为40ml/min的氮气气氛下炭化0.5-1小时，炭化温度为700-1000℃，升温速率为1-10℃/min，自然冷却后即获得黑色纤维状剑活性炭纤维。以锂片为正极材料、以制得的剑麻活性炭纤维经研磨后做为负极材料组装成锂离子电池，进行恒流充放电测试，结果显示，经过化学改性处理后的剑麻炭纤维相比于未经处理的剑麻炭纤维和市售活性炭有着更加优良的电化学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于化学活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法。
背景技术
锂离子电池的出现，不仅彻底改变了便携式电子市场，而且最近几年已经开始应用于电动汽车，越来越深刻地影响着人们的日常生活。虽然目前技术水平日益成熟，大规模产业化也已开始形成，但是锂离子电池依然存在诸多的不足，例如成本过高、安全性差和使用寿命短等，其中最关键的影响因素就是锂离子电池的电极材料。随着人们生活水平的提高，锂离子电池的需求量日渐增大，对性能也提出了越来越高的要求，因此寻找低成本、高容量的电极材料成为锂离子电池发展和改进的主要方向。
生物质材料是全球储量最丰富的可再生资源，本发明采用剑麻纤维这一广泛而又易得的生物质原料制备炭纤维，通过化学活化法处理后作为锂离子电池负极材料，极大地节约了生产成本，测试结果亦表明处理后的剑麻纤维具有优良的电化学性能，为锂离子电池负极材料的选择提供了一种可能的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于化学活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法，以降低锂离子电池的生产成本，提高其使用性能。
具体步骤为：
（1）预处理：通过将剑麻纤维揉搓、洗涤、烘干过程，除去原始剑麻纤维中夹杂的组织碎屑。
（2）将步骤（1）处理后的剑麻纤维用质量分数为15-25%的ZnCl2溶液按ZnCl2和剑麻纤维的质量比为2-6:1的浸渍比浸泡24小时，然后将剑麻纤维上的ZnCl2溶液残留用去离子水冲洗至中性，80-100℃经12-24小时烘干 。
（3）将步骤（2）得到的剑麻纤维置于真空管式电阻炉中，在气体流量为40ml/min的氮气气氛下炭化0.5-1小时，炭化温度为700-1000℃，升温速率为1-10℃/min，自然冷却后即获得黑色纤维状剑麻活性炭纤维，将剑麻活性炭纤维经机械研磨至粒径为100-300目后即为锂离子电池负极材料。
（4）将步骤（3）所得电池负极材料、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比90:2:8混合，每克电池负极材料加入1ml的N-甲基吡咯烷酮(NMP)后搅拌均匀，涂抹在集流体铜箔上，干燥后压制成直径为16mm的圆片，此即为负极极片。
（5）以锂片为正极、步骤（4）得到的负极极片为负极、Celgard2400微孔聚丙烯膜为隔膜、1mol/L的LiPF6/EC(碳酸乙烯酯)+DMC(碳酸二甲酯)+ DEC (碳酸二乙酯) 作为电解液（电解液中LiPF6为溶质，溶剂EC+DMC +DEC的体积比为1:1:1），在手套箱中组装成CR2025型纽扣电池。
（6）将电池封口并放置12小时后测试，采用深圳新威尔科技有限公司生产的BTS-5V 10mA型纽扣式电池恒流充放电测试仪，在0-2V的电压范围和0.1C的倍率下进行恒流充放电测试，结果表明：
经过ZnCl2溶液改性处理后得到剑麻炭纤维的电化学性能比未处理的炭纤维均有较大的提高，首次放电比容量（嵌锂容量）达到了545 mAh/g以上，其中经25%的ZnCl2溶液以4:1的浸渍比浸泡过的剑麻炭纤维容量最高，首次放电比容量（嵌锂容量）达629 mAh/g，30个充放电循环后仍能维持在190mAh/g，是第二次放电比容量的76%；而未经处理的剑麻炭纤维首次充放电容量仅为440 mAh/g，30个循环后仅剩82 mAh/g，仅为第二次放电比容量的58%。
附图说明
图1为未经化学处理的剑麻炭纤维与质量分数为25%的ZnCl2溶液按ZnCl2和剑麻纤维的质量比为2:1、4:1、6:1浸渍比浸泡过的剑麻炭纤维做负极材料的循环性能对比图。
图2为市售活性炭、未经化学处理的剑麻炭及经质量分数为25%的ZnCl2溶液按ZnCl2和剑麻纤维的质量比为4:1的浸渍比浸泡过的剑麻炭纤维分别做负极材料的循环性能对比图。
具体实施方式
实施例1：
（1）将从剑麻叶中剥离的原始纤维进行进行揉搓去屑，用去离子水洗涤后在80℃条件下经12小时烘干。
（2）取三份（每份6g）步骤（1）所得的剑麻纤维分别置于烧杯中，用质量分数为25%的ZnCl2溶液分别按照ZnCl2和剑麻纤维的质量比为2:1、4:1、6:1的浸渍比浸泡24小时，然后将ZnCl2溶液残留用水冲洗至中性，80℃经12小时烘干。
（3）将步骤（2）得到的剑麻纤维分别置于50ml坩埚中，然后放入真空管式电阻炉中，在气体流量为40ml/min的氮气气氛下炭化1小时，炭化温度为900℃，升温速率为3℃/min，自然冷却后即获得黑色纤维状剑麻活性炭纤维，分别装袋密封保存。
（4）将步骤（3）得到的剑麻活性炭纤维分别以30r/s的转速球磨5小时，得到平均粒径为300目的剑麻炭微粒即为锂离子电池负极材料。
（5）将1g步骤（4）中得到的剑麻炭微粒、0.022g乙炔黑以及0.089g PVDF混合，加入1ml NMP后搅拌均匀至糊状，再均匀涂抹在厚度为10μm的铜箔上，于100℃条件下真空干燥16小时，用压片机将铜箔冲制成直径为16mm的圆片，此即为负极极片。
（6）以锂片为正极、步骤（5）中得到的负极极片为负极，Celgard2400微孔聚丙烯膜为隔膜，1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC（EC:DMC:DEC的体积比为1:1:1）作为电解液，在充满高纯氩气的的手套箱中组装成CR2025型纽扣电池。
（7）将步骤（6）所得电池封口并放置12小时后测试，分别采用深圳新威尔科技有限公司生产的BTS-5V 10mA型纽扣式电池恒流充放电测试仪，在0-2V的电压范围和0.1C的倍率下进行30次恒流充放电测试。
测试结果（见图1）表明，经过化学方法改性的剑麻炭纤维首次放电比容量（嵌锂容量）达到了545 mAh/g以上，其中经质量分数为25%的ZnCl2溶液以4:1的浸渍比浸泡过的剑麻炭纤维容量最高，首次放电比容量（嵌锂容量）达629 mAh/g，30个充放电循环后仍能维持在190mAh/g，是第二次放电比容量的76%。
对比实施例：
取1g市售活性炭代替实施例1中剑麻炭微粒作为电池负极材料，按“实施例1”中（5）、（6）、（7）步组装成电池并进行测试。
测试结果（见附图2）表明，市售活性炭作为锂离子电池负极材料时，首次放电比容量仅为353 mAh/g，而且不是很稳定，起伏变化较大，30个循环后放电比容量仅为130 mAh/g。
Claims (1)
1. 一种剑麻纤维为原料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）预处理：通过将剑麻纤维揉搓、洗涤和烘干过程，除去原始剑麻纤维中夹杂的组织碎屑；
（2）将步骤（1）处理后的剑麻纤维用质量分数为15-25%的ZnCl2溶液按ZnCl2和剑麻纤维的质量比为2-6:1的浸渍比浸泡24小时，然后将剑麻纤维上的ZnCl2溶液残留用去离子水冲洗至中性，80-100℃经12-24小时烘干 ；
（3）将步骤（2）得到的剑麻纤维置于真空管式电阻炉中，在气体流量为40ml/min的氮气气氛下炭化0.5-1小时，炭化温度为700-1000℃，升温速率为1-10℃/min，自然冷却后即获得黑色纤维状剑麻活性炭纤维，将剑麻活性炭纤维经机械研磨至粒径为100-300目后即为锂离子电池负极材料。
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Application publication date: 20131211 Assignee: GUANGXI YANGSHENG NEW ENERGY CO.,LTD. Assignor: GUILIN University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2022450000636 Denomination of invention: Preparation of cathode materials for lithium ion batteries using sisal carbon fiber based on chemical activation Granted publication date: 20151028 License type: Common License Record date: 20221230 |
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Granted publication date: 20151028 |