CN104466182A - 一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料及其制备方法。复合材料的制备包括以下步骤：先将石墨和氧化剂充分混合，置于水热反应釜中在95～220℃之间反应0.5～24小时得到氧化石墨，然后将材料烘干，再进行高温碳化，同时随惰性气体带入有机胺，在石墨材料表面形成氮掺杂碳CNx包覆层，得到改性石墨复合材料。本发明的改性石墨复合材料导电性好，其首次充放电效率为89.8％，可逆容量达到383.2mAh/g，其大电流性能提升明显，1C电流循环20次容量保持率达到84.6％。本发明的制备方法简单、过程易于控制、条件温和、成本低廉。

Description

一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于能源材料与电化学技术领域，具体的说，涉及一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料的制备方法。
背景技术
天然石墨作为锂电池负极材料具有比容量高，振实密度大，充放电平台平稳等优点，一直以来都是锂离子负极材料的良好材料，但是它也存在与有机溶剂(特别是PC基电解质)相容性差，容易发生溶剂化锂的共嵌，引起石墨层的剥离，最终导致产生大的不可逆容量，循环寿命变差以及安全问题。
为了克服天然石墨的缺陷，改善碳负极材料的电化学性能，降低生产制造成本，目前天然石墨的改性方法被广泛的研究。其中主要有表面包覆和表面修饰等方法。目前商业化方法一般使用碳材料，沥青，树脂等对天然石墨进行包覆，专利CN102485648A利用碳基前驱体包覆改性天然石墨，提高了天然石墨的首次充放电效率，降低了不可逆容量，但是其石墨化温度为2800℃以上，能源消耗巨大。专利CN101887967A将沥青进行乳化处理，然后与天然石墨混合包覆，这种方法在包覆的效果上有一定的改进，但液相的沥青对石墨的包覆有一定的局限。日本专利JP10294111采用沥青对石墨进行低温包覆，然后进行不融化处理和轻度粉碎，这种方法在包覆效果上很难控制。美国专利US Patent No.5908715、中国专利CN1304187A、CN1224251A等用树脂类高分子热解炭包覆处理，能阻止电解液中溶剂分子的共插入，提高倍率性能和循环性能，但是树脂包覆后的材料比表面比较大，导致首次效率偏低，不可逆容量大。
还有的用其他材料进行包覆改性，中国专利CN102760881A公开了一种表面包覆天然石墨的方法，采用铝盐溶液和氟化物溶液与天然石墨混合，再在惰性气体下灼烧得到表面包覆的天然石墨，提高了材料的循环性能。但是电池在冲放电过程中会产生强酸性的HF，对电池构成安全隐患。中国专利CN 102231434 A公开了一种锂离子电池天然石墨负极材料及其制备方法，采用在天然石墨外包覆有含硼硬碳层，含硼硬碳层外包覆软碳层的方法，降低了生产成本，提高了材料的比容量，但是产生了含大量丙酮、甲苯的有机溶剂，对环境会产生污染。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料及其制备方法。其制备方法简单，绿色环保，得到的改性石墨复合材料导电性好，大电流性能提升明显。
本发明的技术方案如下。
本发明提供一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将质量比为1:(0.05～0.5)：(0.01～1)的石墨原料、冰醋酸和氧化剂在水热反应釜中进行水热反应得到氧化石墨；其中所述水热反应时的反应温度在95～220℃之间，反应时间为0.5～24小时；
(2)将步骤(1)中所得的氧化石墨在烘箱中烘干，得到干燥的氧化石墨材料；
(3)在保护气氛下，将步骤(2)中所得的干燥氧化石墨在550～1400℃温度下进行高温碳化处理0.5～24小时，同时通入有机胺，在氧化石墨材料表面形成氮掺杂碳CNx包覆层，最终得到改性石墨复合材料；其中：所述氮掺杂碳CNx包覆层为氮掺杂的纳米碳层，高温碳化过程中升温到550～1400℃的升温速率为5～30℃/分钟，降温阶段的降温速率为5～30℃/分钟。
步骤(1)中，所述石墨原料为天然石墨和/或人造石墨，其为经过球形化处理的石墨球或类球形石墨材料，平均粒径在10～50μm之间；步骤(1)所述的氧化剂可选用双氧水、浓硫酸、浓硝酸、浓磷酸或过氧乙酸中的一种或几种。
步骤(1)中，所述水热反应温度优选为95～170℃，更优选的，为95～150℃。
步骤(1)中，所述反应时间优选为2～15h，更优选的，为6～12h。
步骤(1)中，所述石墨原料、冰醋酸与氧化剂的质量比优选为1:(0.05～0.3)：(0.05～0.6)，更优选的，为1：(0.05～0.15)：(0.1～0.4)。
步骤(3)中，所述有机胺可采用本领域常规方法根据CNx中N元素的含量进行选择，选自六次甲基四胺、甲胺、乙胺、丙胺、乙二胺、二乙胺、三乙胺、二丙胺、三丙胺、丁胺、己胺、环己胺或己二胺中的一种或几种。步骤(3)中，所述有机胺浓度对反应最终产物基本无影响，一般裂解温度越高，所需有机胺量越低。
步骤(3)中，所述高温碳化过程中，保温阶段时间优选为1～20小时，更优选的，为2～10小时。
步骤(3)中所述高温碳化过程中保护气氛可以是氩气、氮气或氦气中的一种，较佳地在氮气保护气氛下进行。
步骤(1)中的氧化剂，其浓度根据不同的氧化剂具体选择，如氧化剂选用双氧水时，浓度为30wt％；氧化剂选用浓硫酸，使用浓度为98wt％的浓硫酸；氧化剂选用浓盐酸时，浓度为37wt％；氧化剂选用浓硝酸时，浓度为68wt％；氧化剂选用浓磷酸时，浓度为85wt％。
本发明的制备方法较佳地在石英管中进行，碳化过程(石墨的碳化和有机胺的裂解)可以是在管式炉中，也可以在微波加热器中进行。
本发明还进一步提供通过上述制备方法获得的一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料。
本发明所述晶体结构检测采用X射线衍射分析方法，使用Cu-Kα辐射源，管电流40mA，管电压40KV，扫描范围5°～90°，扫描步长0.02°。
本发明所述充放电性能测试采用武汉蓝电Land CT-2001A电池测试系统对半电池进行恒流充放电测试，电压测试范围0～2V。
本发明所述半电池的制作包括下述步骤：负极材料由样品、PVDF和导电炭黑以质量比91.6:6.6:1.8充分搅拌混合，涂布后100℃烘干，压实密度1.60±1.0mg/cm3切割成直径16mm圆片待用。隔膜片用美国CELGARD3501。电解液为1mol/L的LiPFB6BDMC+EMC+PC(3:2:5)+VC1％。对电极用天津中能锂业的锂片(厚度1mm，直径19mm)。正负极集流体均为9mm铜箔。在通氩气的手套箱中组装成扣式半电池，静置18h后进行电化学性能测试，测试在室温下进行。
本发明所述的首次放电比容量＝以0.1C的电流首次放电至0.005V的放电容量/活性物质质量。
本发明所述的首次充电比容量＝以0.1C的电流首次充电至2V的充电容量/活性物质质量。
本发明所述的首次充放电效率＝(首次充电容量/首次放电容量)×100％。
本发明所述的倍率性能测试步骤为：以5C的电流充电至2V，再以0.1C的电流放电至0.005V。
本发明的积极效果在于：
1.本发明的改性石墨复合材料导电性好，其首次充放电效率为89.8％，可逆容量达到383.2mAh/g，其大电流性能提升明显，1C电流循环20次容量保持率达到84.6％。
2.本发明的制备方法简单、过程易于控制、条件温和、绿色环保、成本低廉。
附图说明
图1是实施例1制备的改性石墨复合材料的SEM图。
图2是实施例1制备的改性石墨复合材料的倍率性能图。
图3是实施例1制备的改性石墨复合材料的XRD衍射图。
图4是实施例1制备的改性石墨复合材料的1C循环性能图。
具体实施方式
下面用实例来进一步说明本发明，本发明的实施例仅用来说明本发明的技术方案，本发明并不受其限制，实施例中所用原料和试剂皆市售可得。
实施例1
将24g石墨原料(粒径D50＝16.1μm)(上海杉杉科技有限公司，天然石墨)放于反应釜中，加入9.6g浓度为30wt％的双氧水再加入20ml的冰醋酸(双氧水作为氧化剂，冰醋酸有利于石墨层间距增大)，混合搅拌均匀，在95℃烘箱中反应12h，取出后自然冷却，将样品在烘箱中105℃烘干。将烘干的样品放入通有氮气的石英管式炉中，同时通入30ml二乙胺，以20℃/min升温到1000℃，保温2小时，自然冷却得到改性天然石墨样品。
取出制备的改性样品，作为负极材料，以锂片为正极材料，采用1mol/L的LiPFB6BDMC+EMC+PC(3:2:5)+VC1％为电解液，制作扣式半电池。
本实施例所得样品的扫描电镜图(SEM)如图1所示，从SEM图片看，石墨颗粒较为完整，但是能看到氧化反应使石墨表面的片层有剥落现象，样品粒径范围：5～40μm之间。
本实施例所得样品粒径呈正态分布，粒径分析结果D10＝9.7μm，D50＝16.3μm，D90＝39.5μm。
本实施例所得样品0.1C(电流为36mA/g)下首次充电克容量为383.2mAh/g，首次放电克容量为426.6mAh/g，首次库伦效率为89.8％。本实施例倍率性能如图2所示，3C电流密度下，其充电克容量还有365.8mAh/g，容量保持率为95.5％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为308.5mAh/g，容量保持率为84.6％。
实施例2
本实施例中，加入的双氧水的量为14.4g，除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性石墨的平均粒径D50与实施例1基本一致(16.2μm)。0.1C其首次充电克容量为383.1mAh/g，首次放电克容量为462.2mAh/g，首次库伦效率为89.9％。3C电流密度下，其充电克容量为336.3mAh/g，容量保持率为87.8％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为303.9mAh/g，容量保持率为84.2％。
实施例3
本实施例中，加入的氧化剂为浓磷酸，加入量2.4g。除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性石墨的平均粒径D50为17.3μm，大于实施例1的样品粒径。0.1C其首次充电克容量为350mAh/g，首次放电克容量为395.9mAh/g，首次库伦效率为88.4％。3C电流密度下，其充电克容量为341.0mAh/g，容量保持率为97.4％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为291.4mAh/g，容量保持率为83.3％。
实施例4
本实施例中，高温处理温度为1200℃，除此之外，其他过程与条件均与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性石墨的平均粒径D50＝17.8μm，大于实施例1的样品粒径，高温碳化使石墨晶粒长大。0.1C其首次充电克容量为363.9mAh/g，首次放电克容量为406.6mAh/g，首次库伦效率为89.5％。3C电流密度下，其充电克容量为337.9mAh/g，容量保持率为92.9％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为318.2mAh/g，容量保持率为86.3％。
实施例5
本实施例中，随惰性气体通入的有机胺改为25ml甲胺，除此之外，其他过程与条件均与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性石墨的平均粒径D50＝16.5μm，与施例1的样品粒径基本相同，说明有机胺种类对粒径影响不大。0.1C其首次充电克容量为350.0mAh/g，首次放电克容量为393.8mAh/g，首次库伦效率为88.9％。3C电流密度下，其充电克容量为332.1mAh/g，容量保持率为94.9％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为311.7mAh/g，容量保持率为86.6％。
实施例6
本实施例中，水热反应中不加入冰醋酸，除此之外，其他过程与条件均与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性石墨的平均粒径D50＝16.2μm，与施例1的样品粒径基本相同，0.1C其首次充电克容量为415.8mAh/g，首次放电克容量为475.9mAh/g，首次库伦效率为87.4％。3C电流密度下，其充电克容量为343.7mAh/g，容量保持率为82.7％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为230.6mAh/g，容量保持率为70.5％。说明冰醋酸的加入，对材料的电化学性能影响较大。
实施例7
本实施例中，高温碳化时间增加为10小时，除此之外，其他过程与条件均与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性石墨的平均粒径D50＝18.2μm，大于实施例1的样品粒径，长时间高温碳化使石墨晶粒长大，使石墨粒径变大。0.1C其首次充电克容量为395.9mAh/g，首次放电克容量为440.6mAh/g，首次库伦效率为89.9％。3C电流密度下，其充电克容量为320.0mAh/g，容量保持率为80.8％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为227.3mAh/g，容量保持率为62.9％。说明高温碳化时间，对材料的循环性能有较大的影响，过长的碳化时间使石墨的倍率性能下降。
实施例8
本实施例中，高温碳化过程在微波加热管式炉中进行，除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性天然石墨的平均粒径D50＝16.6μm，略大于实施例1的样品粒径。0.1C其首次充电克容量为365.3mAh/g，首次放电克容量为402.3mAh/g，首次库伦效率为90.8％。3C电流密度下，其充电克容量为336.1mAh/g，容量保持率为92.0％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为311.6mAh/g，容量保持率为85.3％。
实施例9
本实施例中，高温碳化过程在微波加热管式炉中进行，碳化温度为800℃。除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的改性天然石墨的平均粒径D50＝16.4μm，略大于实施例1的样品粒径。0.1C其首次充电克容量为360.8mAh/g，首次放电克容量为394.7mAh/g，首次库伦效率为91.4％。3C电流密度下，其充电克容量为330.9mAh/g，容量保持率为91.7.0％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为306.3mAh/g，容量保持率为84.9％。与实施例1所述样品性能接近，使用微波加热管式炉碳化，天然石墨原子能吸收大量的微波，在相同的加热温度下，加热温度较低就能达到较好的性能，能节约能源15％～20％。
对比实施例1
对比实施例1中，不加入氧化剂。除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的石墨平均粒径为D50＝16.4μm，略小于实施例1的样品粒径，与原料粒径基本一致。0.1C其首次充电克容量为420.0mAh/g，首次放电克容量为478.0mAh/g，首次库伦效率为87.8％。3C电流密度下，其充电克容量为296.8mAh/g，容量保持率为70.7％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为308.2mAh/g，容量保持率为73.4％。
对比实施例2
对比实施例2中，高温碳化过程中，不通入有机胺。除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的石墨平均粒径为D50＝16.0μm，略小于实施例1的样品粒径，与原料粒径基本一致。0.1C其首次充电克容量为420.4mAh/g，首次放电克容量为477.9mAh/g，首次库伦效率为88.0％。3C电流密度下，其充电克容量为314.9mAh/g，容量保持率为74.9％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为241.2mAh/g，容量保持率为76.3％。
对比实施例3
对比实施例3中，惰性气体改为氩气。除此之外，其他过程与条件与实施例1保持一致。本实施例中得到的石墨平均粒径为D50＝16.2μm，与实施例1的样品粒径基本相同，与原料粒径基本一致。0.1C其首次充电克容量为368.8mAh/g，首次放电克容量为411.9mAh/g，首次库伦效率为89.5％。3C电流密度下，其充电克容量为343.7mAh/g，容量保持率为93.2％。1C电流密度下，20次充放电循环后，其充电克容量为300.6mAh/g，容量保持率为83.0％。说明惰性气氛对材料的性能基本无影响。
上述所有实施例与对比实施例中，容量保持率均为倍率容量/0.1C容量。
表1为所述改性方法实施例1～7与对比实施例1～3样品的相关数据。

Claims (9)

1.一种氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将质量比为1:(0.05～0.5)：(0.01～1)的石墨原料、冰醋酸和氧化剂在反应釜中进行水热反应得到氧化石墨；其中：水热反应时的反应温度在95～220℃之间，反应时间为0.5～24小时；
(2)将步骤(1)中所得的氧化石墨在烘箱中105℃烘干，得到干燥的氧化石墨材料；
(3)在保护气氛下，将步骤(2)中所得的干燥氧化石墨在550～1400℃温度下进行高温碳化处理0.5～24小时，同时通入有机胺，在氧化石墨材料表面形成氮掺杂碳CNx包覆层，最终得到改性石墨复合材料；其中：高温碳化过程中，升温到550～1400℃的升温速率为5～30℃/分钟，降温阶段的降温速率为5～30℃/分钟。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述石墨原料为天然石墨和/或人造石墨，其为经过球形化处理的石墨球或类球形石墨材料，平均粒径在10～50μm之间；所述氧化剂选用双氧水、浓硫酸、浓硝酸、浓磷酸或过氧乙酸中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，水热反应的反应温度为95～170℃；所述反应时间为2～15h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，石墨原料、冰醋酸和氧化剂的质量比为1:(0.05～0.5)：(0.05-0.6)。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，有机胺是六次甲基四胺、甲胺、乙胺、丙胺、乙二胺、二乙胺、三乙胺、二丙胺、三丙胺、丁胺、己胺、环己胺或己二胺中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，高温碳化过程中，保温阶段时间为1～20小时。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，保护气氛是氩气、氮气或
氦气中的一种。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，高温碳化设备是电热偶式管式炉或微波加热管式炉。
9.如权利要求1-8之一所述的制备方法制备得到的氮掺杂纳米碳包覆/氧化改性石墨复合材料。
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