CN105070914B - Dna双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、应用及锂离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

Dna双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、应用及锂离子电池负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DNA双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、应用及锂离子电池负极材料的制备方法，锂离子电池负极材料制备步骤如下，1）研磨：将粘结剂溶于去离子水中并充分搅拌得粘结剂溶液，将粘结剂溶液、导电剂、DNA双螺旋状纳米碳纤维于研钵中研磨，得到涂片用浆料；2）将上述制作的浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥；3）将铜箔冲压成需要尺寸的圆形电极片；4）将制作好的电极片置于电池正极壳中，然后置于真空干燥箱中，于105℃下干燥8小时，取出称重，再次放入干燥箱干燥2小时，即得完全干燥的锂离子电池负极材料。本方法得到的电池负极材料用于锂电池的制备，可大大提高负极材料的综合电化学性能。

Description

DNA双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、应用及锂离子电池负极 材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池的改进，具体指一种DNA双螺旋状纳米碳纤维的制备方法及在锂离子电池中的应用，同时涉及锂离子电池负极材料的制备，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
伴随着锂离子电池在社会经济体系中的广泛应用，越来越多的电子科技产品对锂离子电池提出了更高的要求。就目前来看锂离子电池的发展趋势为：具有高能量密度的锂离子电池、具有高功率密度的动力型电池、长寿命的储能电池。然而电极材料制约着锂离子电池的性能，锂离子电池正极材料的导电性较差，其电导率在 10-3-10-9S/cm 之间。由于Li+在固相中的迁移速率直接受到正极材料的电子传导速率限制，尤其是在快速充放电的条件下，将会引起极化电压的升高和放电平台的提前结束，从而导致循环容量的迅速衰减。锂离子电池负极材料的氧化还原电位一般较低。而在1V以下，有机电解液通常会发生分解，伴随着离子嵌入到负极材料中，会发生溶剂分子的共嵌，破坏负极材料的结构，导致循环容量的降低。
为了解决上述问题，往往在制备锂离子电池电极极片的时候，会在活性物质里加入一定量的导电剂，以提高电极的电子传导性，降低电极欧姆电阻；提高负极材料的倍率性能；增大比表面积，有利于在负极表面形成 SEI 膜。但是，导电剂的添加量、导电剂材料的选取、导电剂与活性材料的混合方式、导电剂在电极活性材料的分布情况都会极大地影响整个电极的电化学性能。
而螺旋纳米碳纤维作为一种新型碳材料，除了具备一般碳纤维的低密度、高比强度、耐热性、化学稳定性等优异性能外，特殊的螺旋形态还使材料具有典型的手性特征、良好的弹性、与基体良好的结合性。但由于螺旋纳米碳纤维目前还不能进行量产，顾其应用受到限制，其应用只停留在研究阶段。目前应用的研究主要包括超级电容器、医用方面如传感器、细胞修复等研究、储氢方面的研究及军事方面的研究。螺旋纳米碳纤维与非螺旋纤维相比，基于电磁理论，由于其螺旋结构，使它拥有独特的电磁性能。故希望当其作为锂离子电池负极材料时能让锂离子电池性能得到提高。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种DNA双螺旋状纳米碳纤维的制备方法、在锂离子电池中的应用及锂离子电池负极材料的制备方法，本方法得到的电池负极材料用于锂电池的制备，可大大提高负极材料的综合电化学性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
DNA双螺旋状纳米碳纤维在锂离子电池中的应用，是将DNA双螺旋状纳米碳纤维作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池中。
DNA双螺旋状纳米碳纤维的制备方法，步骤如下，
1）取适量的催化剂前驱体酒石酸铜于瓷舟中，再将瓷舟置于气密性良好的石英管中，并以60mL/min的速度向石英管中通入Ar气以排尽其中的空气；
2）对石英管加热使其从室温升至210℃，然后在该温度下保温30min；
3）第2）步保温结束后将石英管升温至580℃，然后在该温度下保温40min，保温过程中关闭Ar改为以60mL/min的速度通入乙炔气体；
4）保温结束，自然降温至室温后取出瓷舟，瓷舟内所得物即为DNA双螺旋状纳米碳纤维。
第2）步从室温升至210℃的升温速率为2℃/分；第3）步从210℃升至580℃的升温速率为2℃/分。
锂离子电池负极材料的制备方法，步骤如下，
1）研磨：将粘结剂（PVDF聚偏氟乙烯）溶于去离子水中并充分搅拌得粘结剂溶液，用移液管移取配好的粘结剂溶液、导电剂、前面制备的DNA双螺旋状纳米碳纤维于干燥洁净的玛瑙研钵中进行研磨，直到研钵中无粉刺，得到涂片用浆料；其中粘结剂质量与导电剂和DNA双螺旋状纳米碳纤维两者质量和之比为8-10：1，优选8：1；
2）涂片：将上述制作的浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥；
3）压片：将铜箔冲压成需要尺寸的圆形电极片；
4）干燥称重：将制作好的电极片置于电池正极壳中，然后置于真空干燥箱中，于105℃下干燥8小时，取出称重，再次放入干燥箱干燥2小时，即得完全干燥的锂离子电池负极材料。
第2）步涂片操作过程如下：①用裁片工具剪切一定大小的长方形铜箔片；②将铜箔片置于用酒精洗净的玻璃上，再用酒精擦拭清洁铜箔片；③待铜箔片干燥后，用刮刀取浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥即可。
第3）步压片得到的圆形电极片直径为12mm。
所述导电剂为超导炭黑，超导炭黑与DNA双螺旋状纳米碳纤维的质量比为1:0.5-2，优选1：2。
本发明DNA双螺旋状纳米碳纤维的纳米结构填充于石墨粒空隙，形成了导电网络，且纳米材料本身有一定的可逆储锂容量，同时，螺旋纳米碳纤维的螺旋状结构和大的比表面积，能够吸收和储存电解液，并改善电极抵抗破坏的能力，由此可大大提高负极材料的综合电化学性能。
实验表明，当超导炭黑（Super P）与DNA双螺旋状纳米碳纤维的配比为1:2时，负极材料的首次充放电容量较大、可逆性最好且电阻值最小导电扩散系数达到最大值。首次放电容量和充电容量分别为542.8 mAh·g-1，480.8 mAh·g-1；负极材料电阻最小值为150Ω。
附图说明
图1-实施例制备的DNA双螺旋状纳米碳纤维SEM形貌图。
图2-实施例制备的DNA双螺旋状纳米碳纤维SEM图。
图3-不同混合比例负极材料首次充放电容量及库伦效率曲线图。
图4-不同配比负极材料伏安特性曲线图；其中导电剂Super P:DNA双螺旋状纳米碳纤维分别为a）1:0；b）2:1；c）1:1；d）1:2；e）0:1。
图5-不同配比负极材料的交流阻抗曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明DNA双螺旋状纳米碳纤维在锂离子电池中的应用，是将DNA双螺旋状纳米碳纤维作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池中。
一、本发明通过如下方法制备得到DNA双螺旋状纳米碳纤维：
1）取适量的催化剂前驱体酒石酸铜于瓷舟中，再将瓷舟置于气密性良好的石英管中，并以60mL/min的速度向石英管中通入Ar气以排尽其中的空气；
2）对石英管加热使其从室温升至210℃，然后在该温度下保温30min；
3）第2）步保温结束后将石英管升温至580℃，然后在该温度下保温40min，保温过程中关闭Ar改为以60mL/min的速度通入乙炔气体；
4）保温结束，自然降温至室温后取出瓷舟，瓷舟内所得物即为DNA双螺旋状纳米碳纤维。
其中第2）步从室温升至210℃的升温速率为2℃/分；第3）步从210℃升至580℃的升温速率为2℃/分。
图1为本实施例制备的DNA双螺旋状纳米碳纤维SEM形貌图。图2为本实施例制备的DNA双螺旋状纳米碳纤维SEM图。
二、本发明锂离子电池负极材料可按如下具体实施例的步骤制备得到：
1）研磨：称取1g粘结剂PVDF聚偏氟乙烯溶于99g去离子水中并用磁力搅拌器搅拌约6h，得质量浓度为1%的粘结剂溶液；用移液管移取配好的粘结剂溶液、导电剂、DNA双螺旋状纳米碳纤维于干燥洁净的玛瑙研钵中进行研磨，直到研钵中无粉刺，得到涂片用浆料，其中粘结剂的量为0.4g，导电剂与DNA双螺旋状纳米碳纤维的量总共为0.05g，可根据自己需求改变两者配比；导电剂为超导炭黑。
2）涂片：将上述制作的浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥；操作过程如下：①用裁片工具剪切一定大小的长方形铜箔片；②将铜箔片置于用酒精洗净的玻璃上，再用酒精擦拭清洁铜箔片；③待铜箔片干燥后，用刮刀取浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥即可。
3）压片：目的是让铜箔冲成12mm的圆电极片。操作过程如下：采用手动切片机将铜箔冲压成12mm的圆电极片。
4）干燥称重：将制作好的电极片置于电池正极壳中，然后置于真空干燥箱中，于105℃下干燥8小时，取出称重，再次放入干燥箱干燥2小时，即得完全干燥的锂离子电池负极材料。
三、锂离子电池组装及性能测试：
1）在手套箱中按照：电池正极壳-电极片-电解液-隔膜-电解液-金属锂片-垫片-弹片的顺序对锂离子电池进行组装；
2）对组装完成的锂离子电池进行恒流充放电容量测试、循环伏安法测试及交流阻抗测试并进行分析。
DNA双螺旋状纳米碳纤维的特殊结构使其拥有特殊的电磁学性能，将其作为锂离子电池负极材料时，能改善锂离子电池的性能，从而实现其工业价值。但由于其特殊结构，导致其分散性较一般导电剂差。故在实际应用时，为达到最佳的实验效果也为降低经济成本，需要将DNA双螺旋状纳米碳纤维与超导炭黑按一定的配比配合使用。实验时，超导炭黑与DNA双螺旋状纳米碳纤维按如下五种质量配比进行使用：a）1:0；b）2:1；c）1:1；d）1:2；e）0:1，即既包括单独使用超导炭黑与单独使用DNA双螺旋状纳米碳纤维的情况，也包括两者混合情形，以方便对比研究。
图3为不同配比负极材料进行恒流充放电容量测试得到的首次充放电容量及库伦效率曲线。
图4为不同配比负极材料经循环伏安法测试得到的伏安特性曲线；其中a）1:0；b）2:1；c）1:1；d）1:2；e）0:1。
图5为不同配比负极材料经交流阻抗测试得到的交流阻抗曲线。
综合上述五种不同配比锂离子电池三种性能分析可以看出，当超导炭黑与DNA双螺旋状纳米碳纤维的配比为1:2时，负极材料的首次充放电容量较大、可逆性最好且电阻值最小导电扩散系数达到最大值。放电容量和充电容量分别为542.8 mAh·g-1，480.8 mAh·g-1；负极材料电阻最小值为150Ω。这是因为DNA双螺旋状纳米碳纤维的纳米结构填充于石墨粒空隙，形成了导电网络，且纳米材料本身有一定的可逆储锂容量。同时，螺旋纳米碳纤维的螺旋状结构和大的比表面积，能够吸收和储存电解液，并改善电极抵抗破坏的能力，由此提高负极材料的综合电化学性能。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，例如样品的长宽高等值的变化可根据个人需要而做改变。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤如下，
1）研磨：将粘结剂溶于去离子水中并充分搅拌得粘结剂溶液，用移液管移取配好的粘结剂溶液、导电剂、DNA双螺旋状纳米碳纤维于研钵中进行研磨，直到研钵中无粉刺，得到涂片用浆料；其中粘结剂质量与导电剂和DNA双螺旋状纳米碳纤维两者质量和之比为8-10：1；所述导电剂为超导炭黑，超导炭黑与DNA双螺旋状纳米碳纤维的质量比为1:2；
其中DNA双螺旋状纳米碳纤维按如下方法制备，
a）取适量的催化剂前驱体酒石酸铜于瓷舟中，再将瓷舟置于气密性良好的石英管中，并以60mL/min的速度向石英管中通入Ar气以排尽其中的空气；
b）对石英管加热使其从室温升至210℃，然后在该温度下保温30min；
c）第b）步保温结束后将石英管升温至580℃，然后在该温度下保温40min，保温过程中关闭Ar气改为以60mL/min的速度通入乙炔气体；
d）保温结束，自然降温至室温后取出瓷舟，瓷舟内所得物即为DNA双螺旋状纳米碳纤维；
第b）步从室温升至210℃的升温速率为2℃/分；第c）步从210℃升至580℃的升温速率为2℃/分；
2）涂片：将上述制作的浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥；
3）压片：将铜箔冲压成需要尺寸的圆形电极片；
4）干燥称重：将制作好的电极片置于电池正极壳中，然后置于真空干燥箱中，于105℃下干燥8小时，取出称重，再次放入干燥箱干燥2小时，即得完全干燥的锂离子电池负极材料；
第2）步涂片操作过程如下：①用裁片工具剪切一定大小的长方形铜箔片；②将铜箔片置于用酒精洗净的玻璃上，再用酒精擦拭清洁铜箔片；③待铜箔片干燥后，用刮刀取浆料均匀涂抹在铜箔上并干燥即可。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：第3）步压片得到的圆形电极片直径为12mm。
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