CN104733694A - 一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，包括以下步骤：a.按照质量比1:10～1:25的比例依次称取锂和石墨，置入球磨罐中，球磨，锂与石墨反应生成LixCy化合物；b.将步骤a中的所述LixCy化合物分散在30～100mL的蒸馏水中，超声搅拌1～3h，所述蒸馏水的温度为25℃～80℃；c.将步骤b中超声搅拌完毕的溶液离心，分离得到沉淀物，再依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤所述沉淀物，即得到层间距距离增大为0.40～0.75nm的石墨。所述制备方法得到的石墨，增大了石墨碳层之间的间距，而层间距的增大能够为钠离子的嵌入和脱出提供有利的通道，提高电池的容量和倍率性能。

Description

一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料领域，特别是一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法。
背景技术
近年来，随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展，能源的储存和转换已成为制约世界经济可持续发展的重要因素。在各种技术中，锂离子电池由于具有工作电压高、容量高、自放电小和循环寿命长等优点，成为了发展前景最为明朗的高能电池体系，但随着电动汽车、智能电网时代的到来，目前现有的锂资源将无法满足动力锂离子电池的巨大需求，因此亟需开发价格低廉，并可替代锂离子电池的相关技术。
钠离子电池的研究在一定程度上能够有效缓解因锂资源短缺而引发的锂离子电池发展受限的问题。钠资源丰富，开发成本低，在地球中的存储量比锂要高4-5个数量级；且钠离子电池的半电池电势较锂离子电势高0.3～0.4 V，电解质的选择范围更宽；钠电池有相对稳定的电化学性能，使用更加安全；并且钠与锂具有相似的嵌入和脱出机理，使得两个体系可以使用相同的电极材料。但钠离子电池也存在一定的问题，比如：钠离子半径比锂离子半径大70%，使得钠离子在电池材料中的嵌入与脱出更难，导致可逆容量和倍率性能降低，而负极材料的性能同样制约着钠离子电池的性能。目前研究较多的负极材料主要有：碳基材料、金属氧化物、合金、非金属单质和有机化合物等，但是金属氧化物、合金、非金属单质和有机化合物等材料的制备工艺复杂，且成本相对较高，不利于钠电池的商业化发展，因此碳基材料的发展成为研究的重点。碳基材料中的石墨已经广泛应用于锂离子电池，也是商业化程度最高的负极材料，它的价格低廉、制备简单，鉴于在锂离子电池领域的经验，石墨也被作为潜在的钠离子电池负极材料。但钠离子的半径过大，石墨碳层间距（0.335 nm）不适合钠离子的嵌入，导致钠离子在石墨中的嵌入量很少，容量很低。因此，如何有效的改善上述问题，增大石墨层间的距离，是钠离子电池发展的关键。
发明内容
针对上述技术问题，本发明公开一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，包括以下步骤：a、按照质量比1:10～1:25的比例依次称取锂和石墨，置入球磨罐中，球磨，锂与石墨反应生成LixCy化合物；b、将步骤a中的所述LixCy化合物分散在30～100 mL的蒸馏水中，超声搅拌1～3 h，所述蒸馏水的温度为25℃～80℃；c、将步骤b中超声搅拌完毕的溶液离心，分离得到沉淀物，再依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤所述沉淀物，即得到层间距距离增大为0.40～0.75 nm的石墨。
优选地，所述步骤a中，球磨时间为100～300 min，球磨转速设定为1080 r/min。
优选地，所述步骤a中，锂与石墨在室温25℃条件下，反应生成LixCy化合物。
优选地，所述步骤b中，蒸馏水的温度为25～30℃。
优选地，所述步骤c中，离心的转速为9000 r/min，离心5min。
优选地，所述步骤c中，依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤沉淀物4次和2次。
本发明的有益效果是通过采用所述制备方法得到的石墨，增大了石墨碳层之间的间距，石墨的层间距距离增大为0.40～0.75 nm，而石墨层间距的增大能够为钠离子的嵌入和脱出提供有利的通道，提高了电池的容量和倍率性能，且所述制备方法简单方便，原材料价格低廉，降低了电池成本；和其他负极材料相比，以本发明所述的层间距增大的石墨为电池负极材料，组装成的钠离子电池，与现有各种钠离子电池相比，具有成本低廉、比容量高、制备工艺简单等优点。
 附图说明
图1是原始石墨的XRD图以及本发明所述的层间距增大后的石墨的XRD图；
图2是采用本发明所述的层间距增大后的石墨作为电池负极，组装成的钠离子电池的充放电容量的循环曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明公开一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，包括以下步骤：a、按照质量比1:10～1:25的比例依次称取锂和石墨，置入球磨罐中，球磨，锂与石墨反应生成LixCy化合物；b、将步骤a中的所述LixCy化合物分散在30～100 mL的蒸馏水中，超声搅拌1～3 h，所述蒸馏水的温度为25℃～80℃；c、将步骤b中超声搅拌完毕的溶液离心，分离得到沉淀物，再依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤所述沉淀物，即得到层间距距离增大为0.40～0.75 nm的石墨。
优选地，所述步骤a中，球磨时间为100～300 min，球磨转速设定为1080 r/min。
优选地，所述步骤a中，锂与石墨在室温25℃条件下，反应生成LixCy化合物。
优选地，所述步骤b中，蒸馏水的温度为25～30℃。
优选地，所述步骤c中，离心的转速为9000 r/min，离心5min。
优选地，所述步骤c中，依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤沉淀物4次和2次。
下面具体讲述本发明所述用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，以及采用本发明所述的层间距增大后的石墨作为电池负极，组装成的钠离子电池。
实施例1
a、将金属锂和石墨按照质量比1:18的比例分别称取，即分别称取金属锂0.012g和石墨粉末0.216g，充分混合后置入球磨机内，球磨转速设定为1080 r/min，球磨3h，锂与石墨在室温条件下反应生成LixCy化合物；
b、将步骤a中的反应物分散至100 ml、80℃的蒸馏中，超声搅拌3 h，水与锂迅速反应，石墨层分开，层间距增大；
c、将步骤b中超声完毕的溶液离心，离心的转速为9000 r/min，离心5min，分离得到沉淀物，再依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤沉淀物4次和2次，即得到层间距距离增大为0.40～0.75 nm的石墨；
d、层间距增大后的石墨，再依次加入按照7：2：1的质量比混合的乙炔黑和PTFE，以及1 mL的二甲基甲酰胺，充分搅拌混匀，然后擀片、冲片，置于50℃条件下干燥24 h，备用，所制备得到的石墨圆形极片的直径为8 mm；
e、以步骤d中的石墨圆形极片为负极，金属钠为正极，电解液为1mol/L Na[N(SO2F)2] 溶液，溶剂为将碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照体积比4：6所混合而成的混合液，在氩气保护的手套箱中组装成电池；
f、对步骤e中组装完毕的电池，在室温条件下进行充放电研究，充放电电压范围为：0.5V~3.0V。在50mA/g的电流密度下，电池的初始放电容量为150 mAh/g，循环70周后，其放电容量仍能保持在142 mAh/g。
根据实验结果，采用本发明所述的制备方法制备的石墨负极，比商业石墨的性能有了相当大的提高。如图所示，图1是原始石墨的XRD图以及本发明所述的层间距增大后的石墨的XRD图；图2是采用本发明所述的层间距增大后的石墨作为电池负极，组装成的钠离子电池的充放电容量的循环曲线图。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、按照质量比1:10～1:25的比例依次称取锂和石墨，置入球磨罐中，球磨，锂与石墨反应生成LixCy化合物；
b、将步骤a中的所述LixCy化合物分散在30～100 mL的蒸馏水中，超声搅拌1～3 h，所述蒸馏水的温度为25℃～80℃；
c、将步骤b中超声搅拌完毕的溶液离心，分离得到沉淀物，再依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤所述沉淀物，即得到层间距距离增大为0.40～0.75 nm的石墨。
2.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，球磨时间为100～300 min，球磨转速设定为1080 r/min。
3.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，锂与石墨在室温25℃条件下，反应生成LixCy化合物。
4.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，其特征在于：所述步骤b中，蒸馏水的温度为25～30℃。
5.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，其特征在于：所述步骤c中，离心的转速为9000 r/min，离心5min。
6.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的便宜有效的石墨负极的制备方法，其特征在于：所述步骤c中，依次用蒸馏水和乙醇分别洗涤沉淀物4次和2次。
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