CN106450315A - 一种高性能碳纸基电极负极复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能碳纸基电极负极复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料主要是由碳纸基底和活性物质所组成，羟基化碳纸作为基底，活性物质的纳米颗粒不仅附着于碳纸的表面，还渗透入碳纸的内部，附着于其内部碳纤维的表面，整个复合结构中包含多孔结构。相对于现有技术，本发明工艺步骤简单，反应时间短，重复性好，收率高，且成本低廉，具有较好的规模化应用潜力；所制备的电极为一体化的，不需要再进行常规电极制备的混料、涂膜、干燥等繁多的工艺步骤，使用方便；将之应用于制备锂离子电极，倍率、循环稳定性良好，充放电性能优异。

Description

一种高性能碳纸基电极负极复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种复合材料技术领域，具体涉及一种高性能的碳纸基复合材料、制备方法及其在锂离子电池中的应用。
背景技术
锂离子电池具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效果、少污染以及自放电率小等优点，它在总体性能上优于其它传统二次电池，一致被认为是各种便携式电子设备及电动汽车用最为理想的电源。传统锂离子电池负极材料石墨虽然循环稳定性好以及性价比较高，但是由于其充放电比容量较低，体积比容量更是没有优势，难以满足动力系统特别是电动车及混合电动车对电池高容量化的要求。因此开发具有高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂离子电池负极材料极具迫切性。
在新型非碳负极材料的研究中，硅、锡、锗等单质材料，金属氧化物以及复合金属氧化物材料因具有较高的理论嵌锂容量而越来越受瞩目。这些高容量的负极材料若能达到实用化程度，必将使锂离子电池的应用范围大大拓宽。但是，这些高容量的负极材料大多电导率较低，且在高程度脱嵌锂条件下，存在严重的体积效应，造成电极的循环稳定性较差。针对这些高容量的负极材料的体积效率，将之与具有弹性且性能稳定的载体复合，缓冲硅的体积变化，将是保持高容量的同时提高其循环稳定性的有效途径。另外，在通常的电极材料制备过程中，活性物质要经历和导电剂以及粘结剂混浆涂膜的过程才能制备成电池的电极，工艺步骤复杂，耗时，市场急需拓展开发一种一体化高性能电极材料的制备工艺和方法。
碳纸是一种由碳纤维经过编织制备而成的纸状的材料，被广泛应用于燃料电池中。碳纸由于其良好的导电性以及较好的强度结构，常被应用于电池电极的集流体和支承层。目前，现有技术中所制备的电极性能不够优越，且制备过程中用到四氢呋喃作为溶剂，工艺过程不环保。鉴于市场上对高功率密度电池开发的迫切需要，开发具有环保型高性能的新型碳纸基电极材料的新方法或路径极具迫切性。
发明内容
发明目的：针对锂离子电池现有技术中循环稳定性差、倍率性能不高以及制备工艺不够环保等问题，本发明的目的在于提供一种环保的一体化的高性能的碳纸基复合电极，以及该复合电极的制备方法以及在锂离子电池中的应用。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明公开了一种高性能碳纸基电极负极复合材料，所述复合材料主要是由碳纸基底和活性物质所组成，羟基化碳纸作为基底，活性物质的纳米颗粒不仅附着于碳纸的表面，还渗透入碳纸的内部，附着于其内部碳纤维的表面。
作为优选，所述活性物质为纳米硅粉、纳米锗粉、纳米锡粉、纳米二氧化锡、纳米氧化钨、纳米氧化锌、纳米氧化铟、纳米锰酸锌、纳米钴酸锰和纳米铁酸锰中的一种。
作为另一种优选，所述羟基化碳纸是由碳纸经过浓硫酸/浓硝酸混合溶液超声处理所得。
本发明还提供了所述高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)混料：将活性物质、壳聚糖凝胶、造孔剂分批加入到溶剂中，均匀混合；
(2)涂覆：将步骤(1)得到的均匀浆料除去一部分的溶剂，将其均匀刮涂在羟基化碳纸上；
(3)后处理：将步骤(2)得到的复合材料经由高温碳化处理，经由碳化过程去除中间的模板制备得到的高性能的碳纸基多孔复合电极负极材料；
所述的模板包括介孔的造孔剂材料和纳米孔的造孔剂材料。
作为优选，所述造孔剂为三嵌段共聚物和聚苯乙烯球，所述三嵌段共聚物选自EO20PO70EO20(聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，简称P123)或EO106PO70EO106(PluronicF127，简称F127)中的一种；所述聚苯乙烯球直径约为300nm。
进一步优选，所述三嵌段共聚物的加入量为活性物质的质量的0.25～2倍，聚苯乙烯球的加入量为活性物质质量的0.5～1.5倍。
作为另一种优选，所述壳聚糖的粘度范围为50～500cps，加入量为活性物质质量的1～3倍。
作为另一种优选，所述壳聚糖凝胶制备方法为：将壳聚糖分散于含体积比为0.5-1％乙酸的水溶液中，超声搅拌至完全溶解制备而成。
作为另一种优选，所述高温碳化条件为：在惰性气氛Ar气下，温度为500～900℃进行烧结。
本发明还公开了所述高性能碳纸基电极负极复合材料在制备锂离子电池中的应用，所述复合材料直接作为电极负极，将其置于电池壳内，以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，即得锂离子电池。展现出优越的倍率性能和循环性能。
本发明复合材料是以羟基化碳纸作为基底，以高储锂容量的纳米材料作为活性物质，以壳聚糖凝胶做为粘结剂和交联物质，以三嵌段共聚物和聚苯乙烯球作为造孔剂，经由均匀混合的方法在基底上进行均匀涂覆再经过高温碳化制备而成。所得整个电极呈现均匀的多孔结构，活性物质周围被介孔碳包覆且被紧密的焊接在碳纸上。活性物质与支撑层碳纸结合紧密牢固，该结构可强力维持电极结构的完整与稳定性，减少电极的形变，从而极大改善复合电极的电化学性能。
有益效果：本发明提供了一种高性能碳纸基电极负极复合材料及其制备方法和在制备锂离子电池中的应用，与现有技术相比具有以下优点：
(一)整个电极呈现均匀的多孔结构，便于电解液的渗透；
(二)本发明工艺步骤简单，环保，重复性好，收率高，且成本低廉，具有较好的规模化应用潜力；
(三)本发明制备的复合材料可以作为一体化电极，不需要再进行常规电极制备的混料、涂膜、干燥等繁多的工艺步骤，使用方便；
(四)本发明提供的高性能碳纸基复合电极为负极材料应用于制备锂离子电极，倍率、循环稳定性良好，充放电性能优异。
附图说明
图1(a-c)为实施例1所制备样品的表面SEM照片；
图2(d-f)为实施例1所制备样品的截面SEM照片。
图3为实施例1所制备样品的TEM照片；
图4为实施例1所制备电极在1000mA·g-1的充放电电流密度下的循环性能测试曲线；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，具体实施例的描述本质上仅仅是范例，以下实施例基于本发明技术方案进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中均采用粒度为200nm以下的活性物质，所述聚苯乙烯球直径约为300nm。
实施例1
所述的羟基化碳纸是由碳纸经过浓硫酸/浓硝酸(3/1体积比)混合溶液60℃超声1h制备得到。
将0.2g Si粉分散在10mL 0.5％的醋酸水溶液中，超声均匀，加入0.05g P123、0.3g的聚苯乙烯球，继续超声15min。将粘度为168cps.的壳聚糖配置成3.5％的壳聚糖凝胶(含0.5％的醋酸)。取出壳聚糖凝胶10g分散于上述超声所得溶液中，超声搅拌20min；将所得溶液在加热的情况下搅拌至粘稠状，将其涂敷在羟基化碳纸上，真空干燥后，700度3h Ar气烧结。
将烧结后的电极作为锂离子电极负极电极材料，置于2025电池壳内，以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以1M LiPF6+EC/DEC/DMC(v/v/v＝1/1/1)为电解液组装电池在1000mA·g-1的充放电电流密度下进行恒电流充放电测试，测试该复合电极的循环稳定性。
从图1a-c的SEM上，可以看出碳纸表面存在一层均匀的纳米复合层。从图2d-f的SEM上，可以看出纳米颗粒不仅存在于碳纸的表面，还渗透入碳纸的内部，附着于碳纤维的表面。截面总厚度约170μm。从图3的TEM图上可以看出，纳米硅颗粒被均匀包覆于碳层内，而且复合结构中包含丰富的多孔结构。正是由于这种特殊的复合结构，使得整个电极在充放电过程能够保持较高的离子电导和电子电导。
图4是不同材料的循环性能图。从图上可以看出，碳纸电极(按实施例1方法，仅经过高温碳化处理的碳纸电极)拥有较好的循环稳定性，但电极的充放电容量较低，仅为150mAh·g-1左右。而硅纳米颗粒电极(按实施例1方法，仅用纳米颗粒的Si直接通过正常的流程制备的电极，其中Si纳米颗粒/活性炭/粘结剂＝70％/15％/15％，按重量比计)拥有较高的充放电容量，但是循环性能较差，快速从4000mAh·g-1衰减至0。而一体化的碳纸/Si复合电极能在1000mA·g-1的电流密度能保持1700mAh·g-1的可逆容量，展现出优异的循环和速率性能。
实施例2
所述的羟基化碳纸是由碳纸经过浓硫酸/浓硝酸(3/1体积比)混合溶液60℃超声1h制备得到。
将0.2g Sn粉分散在10mL 1％的醋酸水溶液中，超声20min，加入0.4g F127、加入0.1g的聚苯乙烯球，继续超声15min。将粘度为500cps.的壳聚糖配置成3.5％的壳聚糖凝胶(含1％的醋酸)。取出壳聚糖凝胶5.8g分散于上述超声所得溶液中，超声搅拌20min；将所得溶液在加热的情况下搅拌至粘稠状，将其涂敷在羟基化碳纸上，真空干燥后，500度6h Ar气烧结。
所得复合材料，经过SEM和TEM检测，与实施例1所得材料的结构基本相似。
将烧结后的电极作为锂离子电极负极电极材料，置于2025电池壳内，以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以1M LiPF6+EC/DEC/DMC(v/v/v＝1/1/1)为电解液组装电池在1000mA·g-1的充放电电流密度下进行恒电流充放电测试，测试该复合电极的循环稳定性。相对于未被包覆的Sn材料的电极，碳纸/Sn复合一体化电极的循环性能改善较大，300个循环后放电容量从200mAh·g-1改善至850mAh·g-1。
实施例3
所述的羟基化碳纸是由碳纸经过浓硫酸/浓硝酸(3/1体积比)混合溶液60℃超声1h制备得到。
将0.2g锰酸锌粉分散在10mL 0.5％的醋酸水溶液中，超声20min，加入0.2g P123加入0.2g的聚苯乙烯球，继续超声15min。将粘度为50cps.的壳聚糖配置成3.5％的壳聚糖凝胶(含0.5％的醋酸)。取出壳聚糖凝胶15g分散于上述超声所得溶液中，超声搅拌20min；将所得溶液在加热的情况下搅拌至粘稠状，将其涂敷在羟基化碳纸上，真空干燥后，600度3h Ar气烧结。
所得复合材料，经过SEM和TEM检测，与实施例1所得材料的结构基本相似。
将烧结后的电极作为锂离子电极负极电极材料，置于2025电池壳内，以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以1M LiPF6+EC/DEC/DMC(v/v/v＝1/1/1)为电解液组装电池在1000mA·g-1的充放电电流密度下进行恒电流充放电测试，测试该复合电极的循环稳定性。相对于锰酸锌的电极，碳纸/锰酸锌复合一体化的电极循环性能改善较大，300个循环后放电容量从300mAh·g-1改善至760mAh·g-1。
本发明制备原料便宜，操作工艺简单，收率高，材料的充放电性能优异，便于工业化生产。

Claims (10)

1.一种高性能碳纸基电极负极复合材料，其特征在于，所述复合材料主要是由碳纸基底和活性物质所组成，羟基化碳纸作为基底，活性物质的纳米颗粒不仅附着于碳纸的表面，还渗透入碳纸的内部，附着于其内部碳纤维的表面。
2.根据权利要求1所述的高性能碳纸基电极负极复合材料，其特征在于，所述活性物质为纳米硅粉、纳米锗粉、纳米锡粉、纳米二氧化锡、纳米氧化钨、纳米氧化锌、纳米氧化铟、纳米锰酸锌、纳米钴酸锰和纳米铁酸锰中的一种。
3.根据权利要求1所述的高性能碳纸基电极负极复合材料，其特征在于，所述羟基化碳纸是由碳纸经过浓硫酸/浓硝酸混合溶液超声处理所得。
4.权利要求1-3任一项所述的高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混料：将活性物质、壳聚糖凝胶、造孔剂分批加入到溶剂中，均匀混合；
(2)涂覆：将步骤(1)得到的均匀浆料除去一部分的溶剂，将其均匀刮涂在羟基化碳纸上；
(3)后处理：将步骤(2)得到的复合材料经由高温碳化处理，经由碳化过程去除中间的模板制备得到的高性能的碳纸基多孔复合电极负极材料。
5.根据权利要求4所述的高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为三嵌段共聚物和聚苯乙烯球，所述三嵌段共聚物选自EO20PO70EO20或EO106PO70EO106中的一种；所述聚苯乙烯球直径为300nm。
6.根据权利要求5所述的高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，其特征在于，所述三嵌段共聚物的加入量为活性物质的质量的0.25～2倍，聚苯乙烯球的加入量为活性物质质量的0.5～1.5倍。
7.根据权利要求4所述的高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖的粘度范围为50～500cps，加入量为活性物质质量的1～3倍。
8.根据权利要求4所述的高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖凝胶制备方法为：将壳聚糖分散于含体积比为0.5-1％乙酸的水溶液中，超声搅拌至完全溶解制备而成。
9.根据权利要求4所述的高性能碳纸基电极负极复合材料的制备方法，其特征在于，所述高温碳化条件为：在惰性气氛Ar气下，温度为500～900℃进行烧结。
10.权利要求1-3任一项所述的高性能碳纸基电极负极复合材料在制备锂离子电池中的应用，其特征在于，所述复合材料直接作为电极负极，将其置于电池壳内，以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，即得锂离子电池。
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