CN105958025B - 一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池负极材料领域,特别涉及一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维及其制备方法。一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维,其包括:多孔碳纳米纤维和位于所述多孔碳纳米纤维上的无定形的锗氧化物,所述锗氧化物的质量百分含量为10‑40%。由于多孔碳纳米纤维存在大量的微孔,使得活性材料的活性位点增多,活性材料与集流体之间的电子传输性能提高,从而有利于锂离子电池容量的提高。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料领域,特别涉及一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的二次电池。其中,正极材料采用含锂化合物,负极材料则以碳素活性物质为主。负极材料嵌入/脱出锂离子的能力对锂离子电池的容量有着巨大的影响。目前所用的商业负极材料主要以层状结构的石墨为主。但其理论容量低372mAh/g,使得锂离子电池容量较低。
同为ⅣA族元素的硅和锗,由于具有较高的嵌锂容量(硅负极的理论容量为4200mAh/g,锗负极理论容量为1600mAh/g),成为了锂离子电池石墨类负极材料的最佳代替材料。锗基材料具有较好的稳定性和更快的锂离子传输速率,但充放电过程中,随着锂离子的嵌入/脱出,锗会产生近330%的体积膨胀/收缩,导致其粉化碎裂脱落,一方面影响活性物质与集流体之间的电接触,不利于电子传输,使电池容量迅速衰减;另一方面使得活性物质与电解液之间形成的固体电解质膜(SEI)不断加厚,使电池的循环性能急剧下降。锗的氧化物能够有效缓解在充放电过程中由于锂离子电池的嵌入/脱出引起的体积膨胀,但锗氧化物的低导电性使得材料的倍率容量低。所以,提高锗氧化物材料的导电性能可以提高电子的传输传输速率,从而提高其倍率容量。
碳基材料具有良好的导电性能,将锗氧化物均匀分散到碳基材料中能够大大提高材料的导电性能,且一定程度上能抑制锗氧化物的体积膨胀。使得电化学性能提高。
发明内容
本发明提供了一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。
本发明提供了一种一步静电纺丝方法将锗、碳前驱体和成孔剂混合纺丝,经碳化原位制得无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的方法,本发明制备方法简单可控,P123作为分散剂使锗均匀分散,而且作为模板剂挥发后在碳纳米纤维上形成了微孔。无定形锗氧化物在多孔碳纳米纤维基体上均匀分散。
本发明解决其技术问题采用的技术方案所述如下:
一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维,其包括:多孔碳纳米纤维和位于所述多孔碳纳米纤维上的无定形的锗氧化物,所述锗氧化物的质量百分含量为10-40%。
进一步的,所述多孔碳纳米纤维直径为160-240nm。进一步的,所述无定形锗氧化物的百分含量为15-30%,所述多孔碳纳米纤维直径为80-200nm。
一种锂离子电池,该锂离子电池采用所述的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维作为负极材料。
一种所述的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的制备方法,该方法包括如下步骤:
(1)锗纳米颗粒制备:将锗粉在球墨罐中进行球磨,得到锗纳米颗粒;
(2)纺丝液配制:取聚丙烯腈、P123以及球磨制备的锗纳米颗粒,混合溶于N-N二甲基甲酰胺,使其搅拌后得到分散均匀的静电纺丝溶液;
(3)静电纺丝:将步骤(2)所得纺丝液进行静电纺丝,得到锗/P123/聚丙烯腈多孔纳米纤维;
(4)碳化:将步骤(3)所得纳米纤维在空气氛围中预氧化,随后在氩气氛围中碳化,获得无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。
作为优选,所述步骤(2)中,聚丙烯腈的摩尔质量为100000~200000g/mol,聚丙烯腈、P123和锗纳米颗粒的质量浓度分别为6-10%、3-5%和3-5%。
作为优选,所述步骤(3)中,设定喷丝头与收集器距离12-20cm,施加高压静电15-21kV,喷射速率0.4-1.2ml/h,喷丝头直径0.35-0.62mm,待其稳定喷出时,通过铝箔纸收集器获得锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维。
作为优选,所述步骤(4)中,预氧化温度为260-340℃,升温速率为2-5℃/min,保温时间为1-3h;碳化温度为600-800℃,升温速率为2-4℃/min,保温时间为4-8h,降温速率为10℃/min。
作为优选,所述步骤(1)中,所述的锗粉粒径为80~100目,球磨采用的小球直径为5~15mm,球料质量比为1:20~1:30。
作为优选,所述步骤(1)中,所述球磨罐转速为200~400转/分钟,球磨时间2-4h。
作为优选,所述步骤(2)中,所述混合的先后顺序包括:P123和纳米锗颗粒先进行混合后,再加入聚丙烯腈混合,后共同溶于N-N二甲基甲酰胺。
本发明具有如下优点:
(1)无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维中,由于多孔碳纳米纤维存在大量的微孔,使得活性材料的活性位点增多,活性材料与集流体之间的电子传输性能提高,从而有利于锂离子电池容量的提高。此外,碳纳米纤维的加入提高了锗氧化物的导电性,使得锂离子电池的倍率容量得到提高。无定形锗氧化物由纳米锗颗粒经碳化形成,均匀分散在多孔碳纳米纤维中,抑制了锗氧化物的体积变化,避免了SEI膜的增厚现象,有利于提高锂离子电池的循环性能。
(2)本发明所制备得到的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维益于提高锂离子电池容量及循环性能,该方法简单可控,易操作。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的扫描电镜图片;
图2是本发明实施例2制备的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的扫描电镜图片;
图3是本发明实施例2制备的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的透射电镜图片;
图4是本发明实施例3制备的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的扫描电镜图片;
图5是本发明实施例4制备的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的扫描电镜图片。
具体实施方式
以下通过具体实施例来进一步说明本发明,但实施例仅用于说明,并不能限制本发明的范围。此外应了解,在阅读本发明讲述内容后,本领域技术人员课对本发明做各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所先限定要求。
在本发明中,若非特指,所有的份、百分比均为重量单位,所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域的常规方法。
P123,英文名称为TERGITOL(TM)XH(NONIONIC),CAS号为106392-12-5,分子式为C5H10O2,是一种化工中间体。
实施例1
(1)用电子天平称取2g锗粉,和直径为5~15mm大小不等的50g小球一起投入球磨罐进行球墨,球料质量比为25:1。球磨罐转速为300转/分钟,球磨2h,得到锗纳米颗粒。
(2)用电子天平称取P123和锗纳米颗粒各0.4g,置于20ml的样品瓶中,注入8.8g的N-N二甲基甲酰胺,随后准确称取0.8g聚丙烯腈溶于上述样品瓶中,样品瓶用封口膜密封,加热到60℃搅拌24小时。
(2)截取面积为40cm×40cm的铝箔纸紧贴平板收集器上,向注射针管中放入5ml纺丝溶液样品,将高压发生器正极与喷丝口相连,负极与平板收集器相连,调节注射泵溶液流速0.7ml/h,设定喷丝头与接收板距离16cm,喷丝头直径0.38mm,待其稳定挤出时开启高压发生器至设定电压16kV,通过平板收集器获得锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维。
(3)将铝箔纸上收集的纤维膜取下,紧贴平放于承烧板,将承烧板平放于管式炉中,设定预氧化温度280℃,升温速率5℃/min,保温时间2h,设定碳化温度700℃,升温速率2℃/min,保温时间6h,得到无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。扫描电镜图片见图1。
实施例2
(1)用电子天平称取2g锗粉,和直径为5~15mm大小不等的50g小球一起投入球磨罐内进行球磨,球料质量比为25:1,。球磨罐转速为400转/分钟,球磨3h,得到锗纳米颗粒。
(2)用电子天平称取P123和锗纳米颗粒各0.3g,置于20ml的样品瓶中,注入8.9g的N-N二甲基甲酰胺,随后准确称取0.6g聚丙烯腈溶于上述样品瓶中,样品瓶用封口膜密封,加热到60℃搅拌24小时。
(2)截取面积为40cm×40cm的铝箔纸紧贴平板收集器上,向注射针管中放入5ml纺丝溶液样品,将高压发生器正极与喷丝口相连,负极与平板收集器相连,调节注射泵溶液流速0.7ml/h,设定喷丝头与接收板距离16cm,喷丝头直径0.38mm,待其稳定挤出时开启高压发生器至设定电压16kV,通过平板收集器获得锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维。
(3)将铝箔纸上收集的纤维膜取下,紧贴平放于承烧板,将承烧板平放于管式炉中,设定预氧化温度280℃,升温速率5℃/min,保温时间2h,设定碳化温度700℃,升温速率2℃/min,保温时间6h,得到无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。扫描电镜图片见图2,透射电镜图片见图3。从扫描图中可以看出,无颗粒团聚在纤维上,说明无定形锗氧化物均匀的分布在碳纳米纤维上。从透射图可知,该碳纳米纤维是多孔碳纳米纤维。
实施例3
(1)用电子天平称取2g锗粉,和直径为5~15mm大小不等的50g小球一起投入球磨罐内进行球磨,球料质量比为25:1。球磨罐转速为400转/分钟,球磨3h,得到锗纳米颗粒。
(2)用电子天平称取P123和锗纳米颗粒各0.2g,置于20ml的样品瓶中,注入9.2g的N-N二甲基甲酰胺,随后准确称取0.8g聚丙烯腈溶于上述样品瓶中,样品瓶用封口膜密封,加热到60℃搅拌24小时。
(2)截取面积为40cm×40cm的铝箔纸紧贴平板收集器上,向注射针管中放入5ml纺丝溶液样品,将高压发生器正极与喷丝口相连,负极与平板收集器相连,调节注射泵溶液流速0.7ml/h,设定喷丝头与接收板距离16cm,喷丝头直径0.38mm,待其稳定挤出时开启高压发生器至设定电压16kV,通过平板收集器获得锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维。
(3)将铝箔纸上收集的纤维膜取下,紧贴平放于承烧板,将承烧板平放于管式炉中,设定预氧化温度280℃,升温速率5℃/min,保温时间2h,设定碳化温度700℃,升温速率2℃/min,保温时间6h,得到无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。扫描电镜图片见图4。
实施例4
(1)用电子天平称取2g锗粉,和直径为5~15mm大小不等的50g小球一起投入球磨罐内进行球磨,球料质量比为25:1。球磨罐转速为400转/分钟,球磨3h,得到锗纳米颗粒。
(2)用电子天平称取P123和锗纳米颗粒各0.33g,置于20ml的样品瓶中,注入9.2g的N-N二甲基甲酰胺,随后准确称取0.72g聚丙烯腈溶于上述样品瓶中,样品瓶用封口膜密封,加热到60℃搅拌24小时。
(2)截取面积为40cm×40cm的铝箔纸紧贴平板收集器上,向注射针管中放入5ml纺丝溶液样品,将高压发生器正极与喷丝口相连,负极与平板收集器相连,调节注射泵溶液流速0.7ml/h,设定喷丝头与接收板距离16cm,喷丝头直径0.38mm,待其稳定挤出时开启高压发生器至设定电压16kV,通过平板收集器获得锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维。
(3)将铝箔纸上收集的纤维膜取下,紧贴平放于承烧板,将承烧板平放于管式炉中,设定预氧化温度280℃,升温速率5℃/min,保温时间2h,设定碳化温度700℃,升温速率2℃/min,保温时间6h,得到无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。扫描电镜图片见图5。
由于所述多孔碳纳米纤维存在大量的微孔,使得活性材料的活性位点增多,活性材料与集流体之间的电子传输性能提高,从而使得锂离子电池容量的提高。此外,碳纳米纤维的加入提高了锗氧化物的导电性,使得锂离子电池的倍率容量得到提高。无定形锗氧化物由纳米锗颗粒经碳化形成,均匀分散在多孔碳纳米纤维中,抑制了锗氧化物的体积变化,避免了SEI膜的增厚现象,有利于提高锂离子电池的循环性能。
Claims (10)
1.一种无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维,其特征在于,其包括:多孔碳纳米纤维和位于所述多孔碳纳米纤维上的无定形的锗氧化物,所述锗氧化物的质量百分含量为10-40%;该无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维是由以下方法制得:
(1)锗纳米颗粒制备:将锗粉在球磨罐中进行球磨,得到锗纳米颗粒;
(2)纺丝液配制:取聚丙烯腈、P123以及球磨制得的锗纳米颗粒,混合溶于N-N二甲基甲酰胺,使其搅拌后得到分散均匀的静电纺丝溶液;
(3)静电纺丝:将步骤(2)所得纺丝液进行静电纺丝,得到锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维;
(4)碳化:将步骤(3)所得纳米纤维在空气氛围中预氧化,随后在氩气氛围中碳化,获得无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维,其特征在于,所述多孔碳纳米纤维直径为160-240nm。
3.一种锂离子电池,其特征在于,该锂离子电池采用权利要求1所述的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维作为负极材料。
4.一种权利要求1所述的无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)锗纳米颗粒制备:将锗粉在球磨罐中进行球磨,得到锗纳米颗粒;
(2)纺丝液配制:取聚丙烯腈、P123以及球磨制得的锗纳米颗粒,混合溶于N-N二甲基甲酰胺,使其搅拌后得到分散均匀的静电纺丝溶液;
(3)静电纺丝:将步骤(2)所得纺丝液进行静电纺丝,得到锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维;
(4)碳化:将步骤(3)所得纳米纤维在空气氛围中预氧化,随后在氩气氛围中碳化,获得无定形锗氧化物/多孔碳纳米纤维。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,聚丙烯腈的摩尔质量为100000~200000g/mol,聚丙烯腈、P123和锗纳米颗粒的质量浓度分别为6-10%、3-5%和3-5%。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,设定喷丝头与收集器距离12-20cm, 施加高压静电15-21kV,喷射速率0.4-1.2ml/h, 喷丝头直径0.35-0.62mm,待其稳定喷出时,通过铝箔纸收集器获得锗/P123/聚丙烯腈纳米纤维。
7.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中,预氧化温度为260-340℃,升温速率为2-5℃/min,保温时间为1-3h;碳化温度为600-800℃,升温速率为2-4℃/min,保温时间为4-8h,降温速率为10℃/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述的锗粉粒径为80~100目,球磨采用的小球直径为5~15mm,球料质量比为1:20~1:30。
9.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述球磨罐转速为200~400转/分钟,球磨时间2-4h。
10.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述混合的先后顺序包括:P123和纳米锗颗粒先进行混合后,再加入聚丙烯腈混合,后共同溶于N-N二甲基甲酰胺。
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