CN103441280A - 水热活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法 - Google Patents

水热活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水热活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法。将剑麻纤维进行去屑、水洗和烘干预处理，然后直接进行炭化，炭化后所得的剑麻炭纤维经过水热活化处理后即可制得锂离子电池负极材料。以锂片为正极材料、以水热处理制得的剑麻活性炭纤维样品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，经过水热活化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

水热活化的剑麻炭纤维制备锂离子电池负极材料的方法
技术领域
本发明涉及一种水热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作为原料制备剑麻炭纤维，并通过水热活化后作为锂离子电池负极材料，极大地节约了生产成本，测试结果亦表明水热处理后的剑麻炭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新的可能方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水热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）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的剑麻炭纤维，装袋密封保存以备用。
（3）将2-3克步骤（2）得到的剑麻炭纤维置于洗净的烧杯中，再加入75-85ml去离子水，用玻璃棒搅拌10-15分钟后将混合液移入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜内，使混合液体积为高压反应釜体积的75-85%，然后放入智能烘箱中在120 -160℃中恒温5-12小时，自然冷却至室温后，过滤，用去离子水冲洗至中性，于烘箱中经60-100℃干燥12-24小时后，经机械研磨至粒径为100-300目，得到锂离子电池负极材料。
（4）将步骤（3）得到的负极材料、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：
经过水热处理后，剑麻炭纤维的电化学性能比未处理的有较大的提高，首次放电比容量达到835 mAh/g以上，其中经140℃水热处理的剑麻炭纤维容量最高，首次放电比容量达939 mAh/g ，30个充放电循环后仍能维持在242mAh/g，是第二次放电比容量的88%。而未经化学或物理方法改性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%，可见未经处理的剑麻炭纤维无论是容量性能还是循环性能均比经过水热处理的差。
附图说明
图1为未处理的剑麻炭纤维与经120℃～160℃不同温度水热处理得到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、未经处理的剑麻炭纤维及经140℃水热处理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揉搓去屑，用去离子水洗涤后在80℃条件下经12小时烘干。
（2）将步骤（1）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1小时，炭化温度为900℃，升温速率为3℃/min，自然冷却后得到剑麻炭纤维，装袋密封保存。
（3）取3份（每份2g）步骤（2）得到的剑麻炭纤维分别置于100ml内衬聚四氟乙烯的反应釜中，分别加入80ml去离子水，分别在120℃、140℃、160℃的温度下水热处理6小时，冷却至室温后将样品过滤，在80℃烘箱中干燥12小时。
（4）将步骤（3）得到的剑麻炭纤维以30r/s的转速球磨5小时，得到3份平均粒径为300目的炭微粒。
（5）将1g步骤（4）中得到的炭微粒、0.022g乙炔黑和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，用压片机将铜箔压制成直径为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（体积比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30次恒流充放电测试。
测试结果（见图1）表明，经过水热活化处理的剑麻炭纤维作负极材料的首次放电比容量达到了835 mAh/g以上，其中经140℃水热处理的剑麻炭纤维容量最高，首次放电比容量达939 mAh/g，30个充放电循环后仍能维持在242mAh/g，是第二次放电比容量的88%。
对比实施例：
取1g市售活性炭代替实施例1中的炭微粒作为负极材料，按“实施例1”中（5）、（6）、（7）步组装成电池并进行测试。
测试结果（见图2）表明，活性炭作负极材料的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为130 mAh/g。

Claims (1)

1.一种水热活化剑麻炭纤维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）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的剑麻炭纤维，装袋密封保存以备用；
（3）将2-3克步骤（2）得到的剑麻炭纤维置于洗净的烧杯中，再加入75-85ml去离子水，用玻璃棒搅拌10-15分钟后将混合液移入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜内，使混合液体积为高压反应釜体积的75-85%，然后放入智能烘箱中在120 -160℃中恒温5-12小时，自然冷却至室温后，过滤，用去离子水冲洗至中性，于烘箱中经60-100℃干燥12-24小时后，经机械研磨至粒径为100-300目，得到锂离子电池负极材料。
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Granted publication date: 20151223

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