CN105355872A - 碳基锂离子电极材料制备方法 - Google Patents

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杨俊和
韩盼
袁涛
许心博
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Abstract

一种碳基锂离子电极材料制备方法，涉及电气材料技术领域，所解决的是现有材料比容量低的技术问题。该方法先将聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐按1：1的质量比分别投入二甲基甲酰胺溶剂，从而制得前驱体溶液；再利用静电纺丝仪将前驱体溶液进行电纺，从而制得原丝纤维；再依序对原丝纤维进行预氧化稳定、碳化处理，从而制得碳基锂离子电极材料。本发明提供的方法，制备方法简单，制备成本低。

Description

碳基锂离子电极材料制备方法
技术领域
本发明涉及电气材料技术，特别是涉及一种碳基锂离子电极材料制备方法的技术。
背景技术
为了适应消费电子、电动汽车和储能领域的发展，需要开发更高能量密度、功率密度、循环次数和安全性的锂离子电池。其中高容量、高倍率性能和循环稳定的电极材料的开发是关键，也是研究热点和难点。目前，锂离子电池在手机、笔记本电脑中得到了广泛应用，锂电池凭借电压高、高能量密度和自放电率很低，已经成为市面上主要储能装置。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，直接制约着锂离子电池的电化学性能，理想的负极材料应当具有高度可逆性，较高的理论比容量，良好的离子电导率和电子电导率、突出的结构稳定性和安全性以及清洁环保、资源丰富等特点。现有锂离子电池的负极材料主要由石墨制成，石墨具有放电平台低,循环性能稳定的特点，但是石墨的理论容量只有372mAh/g，具有比容量低，能量密度小的缺陷，已经不能满足电动车大功率快充电池需求。
为了克服现有锂离子电池的缺陷，中科院化学所的部分研究者研究了热解碳材料与聚丙烯腈(PAN)为前驱体的碳结构电性能关系。他们发现，在700℃附近进行碳化处理所制得的碳纤维，作为锂电池负极材料具有较高的容量，尽管碳材料作为负极有较好的循环性能，但是碳材料的比容量较低，单纯的碳纤维用作锂离子电池电极材料比容量一般为400mAh/g左右，虽高于目前商业化的石墨的372mAh/g，但也难以满足电动车大功率电池需求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种比容量高的碳基锂离子电极材料制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种碳基锂离子电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）将聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐按1：1的质量比分别称量；
2）将步骤1所称量好的聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐投入二甲基甲酰胺溶剂中，并使之混合均匀，从而制得前驱体溶液；
3）利用静电纺丝仪对步骤2所制得的前驱体溶液进行电纺，从而制得原丝纤维；
4）将步骤3制得的原丝纤维置于275～285℃的环境中预氧化稳定，使得原丝纤维中的过渡金属硝酸盐转变为过渡金属氧化物；
5）将步骤4制得的原丝纤维置于600～800℃的环境中，并在惰性气体的保护气氛下对原丝纤维进行碳化处理，使得原丝纤维中所含的过渡金属成份被碳还原为过渡金属单质，即可制得碳基锂离子电极材料。
进一步的，所述过渡金属是铜、镍、铁、铬、钛、钼、锆中的一种。
本发明提供的碳基锂离子电极材料制备方法，利用聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐制备原丝纤维，再经碳化处理后制备出过渡金属粒子与碳纤维的复合材料，通过过渡金属粒子与碳纤维的组合，使得电极材料具备了较高的比容量高，且制备方法简单，制备成本低。
附图说明
图1是本发明实施例的碳基锂离子电极材料制作成锂电池的正极后，该电池的容量及充放电效率的曲线图；
图2是本发明实施例的碳基锂离子电极材料制作成锂电池的正极后，该电池的在100mA/g～2A/g充放电电流密度下的放电容量曲线图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。
本发明实施例所提供的一种碳基锂离子电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）将聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐按1：1的质量比分别称量；
2）将步骤1所称量好的聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐投入二甲基甲酰胺溶剂中，并使之混合均匀，从而制得前驱体溶液；
3）利用静电纺丝仪对步骤2所制得的前驱体溶液进行电纺，从而制得原丝纤维；
纺丝条件设置为：纺丝电压10～20KV，纺丝距离5～25cm，纺丝流速0.1～1.0ml/h；
4）将步骤3制得的原丝纤维置于275～285℃的环境中预氧化稳定，使得原丝纤维中的过渡金属硝酸盐转变为过渡金属氧化物；
5）将步骤4制得的原丝纤维置于600～800℃的环境中，并在惰性气体的保护气氛下对原丝纤维进行碳化处理，使得原丝纤维中所含的过渡金属成份被碳还原为过渡金属单质，即可制得碳基锂离子电极材料，原丝纤维经碳化处理后，纤维的直径变细，且含碳量增加。
本发明实施例中，所述过渡金属是铜，所述过渡金属硝酸盐采用的是三水硝酸铜，本发明其它实施例中的过渡金属也可以是镍、铁、铬、钛、钼、锆中的一种，本发明其它实施例中的过渡金属硝酸盐也可以采用六水硝酸镍、九水硝酸铬等。
利用日本JEOL公司制造的型号为2100F的高分辨透射电子显微镜在500nm下对本发明实施例的电极材料进行观察，可以看出本发明实施例的电极材料的纤维直径在400～500nm之间，过渡金属颗粒均匀分布其中。
将本发明实施例的电极材料制作成锂电池的负极，并以这种锂电池作为测试对象，利用武汉市蓝电电子股份有限公司制造的型号为CT2001A的多通道电池测试仪对该测试对象进行电化学性能测试；测试的充放电电压窗口为1～3V，充放电电流为100mA/g，所测得的容量及充放电效率的曲线图如图1所示，图1的横轴为循环次数数轴，图1中的右侧竖轴为充放电效率数轴，图1中的左侧竖轴为容量数轴，图1中的曲线S1为充放电效率曲线，图1中的曲线S2为容量曲线，从图1中可以看出，测试对象的总容量在650mAh/g以上，经过250次充放电循环后，测试对象的容量仍保持650mAh/g，且除开始的1～2次活化循环外，充放电效率始终维持在100%，由此可见测试对象具有高容量和优异高倍率性能，即使经过250次充放电循环后，容量仍保持在650mAh/g；
将本发明实施例的电极材料制作成锂电池的负极，并以这种锂电池作为测试对象，利用武汉市蓝电电子股份有限公司制造的型号为CT2001A的多通道电池测试仪对该测试对象进行电化学性能测试，所测得的在100mA/g～2A/g充放电电流密度下的放电容量曲线如图2所示，从图2可以看出，该测试对象在大电流充放电条件下，仍具有较高的容量，比如在高达2A/g的充放电电流下，该测试对象的放电容量仍可达300mAh/g左右。

Claims (2)

1.一种碳基锂离子电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）将聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐按1：1的质量比分别称量；
2）将步骤1所称量好的聚丙烯腈、过渡金属硝酸盐投入二甲基甲酰胺溶剂中，并使之混合均匀，从而制得前驱体溶液；
3）利用静电纺丝仪对步骤2所制得的前驱体溶液进行电纺，从而制得原丝纤维；
4）将步骤3制得的原丝纤维置于275～285℃的环境中预氧化稳定，使得原丝纤维中的过渡金属硝酸盐转变为过渡金属氧化物；
5）将步骤4制得的原丝纤维置于600～800℃的环境中，并在惰性气体的保护气氛下对原丝纤维进行碳化处理，使得原丝纤维中所含的过渡金属成份被碳还原为过渡金属单质，即可制得碳基锂离子电极材料。
2.根据权利要求1所述的碳基锂离子电极材料的制备方法，其特征在于：所述过渡金属是铜、镍、铁、铬、钛、钼、锆中的一种。
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