CN107170983A - 一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：将镍盐溶解在水中，配制镍盐溶液；在镍盐溶液中加入甘氨酸，然后再加入异烟肼，形成深蓝色配合物溶液；在上述溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，烘干得到镍前驱体；将所得镍前驱体用管式炉进行高温煅烧，自然冷却后得到珍珠棉状氧化镍。本发明的珍珠棉状负极材料是由空心球组装的片状分级结构氧化镍组成。本发明的氧化镍空心负极材料在一定程度上克服了氧化镍颗粒在充放电过程中体积膨胀，从而获得了良好的循环性能。
Description
技术领域
本申请属于无机功能材料技术领域，具体地说，涉及一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池由于其工作电压高、能量密度高、循环稳定性好以及无污染等优点，已广泛应用在手机、笔记本电脑等小型便携式电器中，而且已经成功应用于大型储能和动力设备。目前商业化的锂电池基本采用石墨碳材料作为负极材料，石墨的理论容量仅为372mAhg-1，由于石墨材料自身的结构和性质的制约，其循环性能、倍率性能和功率低已经限制其进一步应用。因此，开发比容量较高、循环性能较好及成本较低的非碳负极材料，已经引起业界的关注。其中，氧化镍作为负极材料具有高理论比容量，价格低廉，已成为研究热点之一。
氧化镍作为锂离子电池负极材料，在锂离子嵌入/脱嵌的过程中会发生体积膨胀，从而导致其循环稳定性和倍率性能较差。构筑具有空心结构的氧化镍锂离子电池负极材料，可以充分利用空腔结构在电解液浸润、锂离子传输等方面优势，提高电极材料循环稳定性和倍率性能。
传统的制备工艺中构筑中空结构，基本使用水热法，水热法工艺复杂，能耗高，不易大批生产，阻碍其工业化应用。如专利一种镍钴氧化物材料及其制备方法(公开号：CN104129818A，申请日：2014-07-09)是用水热法得到碳球，然后以碳球为模板在水热条件下吸附金属离子，最后高温烧结得到空心结构。因此开发基于新机理和路径实现电极材料的空心结构已成为相关研究的一个重要挑战性课题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料及其制备方法，本发明的氧化镍空心负极材料在一定程度上克服了氧化镍颗粒在充放电过程中体积变化大，从而获得了良好的循环性能。
为了解决上述技术问题，本申请公开了一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将镍盐溶解在水中，配制镍盐溶液；
步骤2、在搅拌条件下，在镍盐溶液中加入甘氨酸，然后再加入异烟肼，形成深蓝色配合物溶液；
步骤3、在上述形成深蓝色配合物溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，烘干得到深蓝色胶状镍前驱体；
步骤4、将所得深蓝色胶状镍前驱体置于瓷舟中，用管式炉进行高温煅烧，自然冷却后得到珍珠棉状氧化镍。
进一步地，步骤1中的镍盐溶液的浓度为0.5-1.0mol/L。
进一步地，步骤1中的镍盐溶液为硝酸镍水溶液、乙酸镍水溶液或硫酸镍水溶液。
进一步地，步骤2中的镍盐溶液和甘氨酸摩尔比为1:2-1:2.5；异烟肼与甘氨酸摩尔比为1:1.8-1:2.2。
进一步地，步骤2中的搅拌转速为180-220r/min，搅拌温度为20-25℃。
进一步地，步骤3中的烘干温度为50-70℃。
进一步地，步骤4中的煅烧温度为450-600℃，时间为1-3小时，升温速率为1-5℃/分。
本发明还公开了一种由上述的制备方法制备得到的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料。
与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：
1)本发明制备工艺简单，通过一步法得到胶状前驱体，然后高温烧结得到产物。
2)本发明前驱体制备在常温下进行，无需加热。
3)本发明制备方法为常压液相法，无需水热等复杂过程。
4)本发明原料转化率高，溶剂乙醇回收容易。
当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的扫描电镜照片；
图2是本申请珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的XRD谱图；
图3是本申请珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的循环性能。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将镍盐溶解在水中，配制0.5-1.0mol/L的镍盐溶液，镍盐溶液为硝酸镍水溶液，乙酸镍水溶液以及硫酸镍水溶液。
步骤2、在室温(20-25℃)，转速为180-220r/min搅拌条件下，在镍盐溶液中加入甘氨酸，镍盐溶液和甘氨酸摩尔比为1:2-2.5，然后再加入异烟肼，异烟肼与甘氨酸摩尔比为1:1.8-1:2，异烟肼和甘氨酸的比例是实验的关键，在合适的条件下，形成深蓝色配合物溶液。
步骤3、在上述溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，50-70℃烘干得到深蓝色胶状镍前驱体。
步骤4、所得深蓝色胶状镍前驱体置于瓷舟中，用管式炉进行高温煅烧，煅烧温度为450-600℃，时间为1-3小时，升温速率为1-5℃/分，自然冷却后得到珍珠棉状氧化镍。
在本制备方法中，1、甘氨酸水溶液为弱酸性，异烟肼水溶液为弱碱性，两者发生部分中和反应，同时对溶液的pH起到调节作用，有利于较高浓度的配体甘氨酸、异烟肼与镍离子配位时跟水溶液中羟基(氢氧根)竞争。
2、异烟肼分子较大且为多齿配体，通常作为桥联配体用端基上的羰基O和肼基N与金属离子螯合，同时用分子另一端吡啶环上的N原子和另一金属离子配位，进而形成一维配位聚合物链，而金属离子其他配位点，由于空间位阻的影响，只能由体积相对较小的甘氨酸及无机阴离子来占据。配聚物可溶于水溶液中，当加入乙醇(步骤3)后，溶剂置换，配位聚合物溶解度降低，形成胶束并进一步团聚而形成胶体，晾干或烘干成玻璃体。
3、镍盐可以是硝酸镍，乙酸镍和硫酸镍，不可以是氯化镍。氯离子存在则形成八面体，得不到空心泡沫状结构。甘氨酸与异烟肼的摩尔比为1:1.8-1:2.2，大于或小于此范围均得不到玻璃体物质。
4、异烟肼对形成空心泡沫状结构起关键作用，异烟肼在高温下分解产生大量气体，从而形成空心结构。另外生成的胶状玻璃体也对空心泡沫状结构起关键作用，玻璃体没有固定熔点，在加热条件慢慢熔化分解。
实施例1
将硝酸镍溶解于去离子水中，得到0.5mol/L硝酸镍溶液；在转速为200r/min、温度为20℃的搅拌条件下，在硝酸镍溶液中加入甘氨酸，硝酸镍溶液和甘氨酸摩尔比为1:2；然后加入异烟肼，异烟肼和甘氨酸摩尔比为1:2；在上述溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，60℃烘干得到镍前驱体；将所得深蓝色玻璃体转移到瓷舟中，用管式炉高温烧结，升温速率为2℃/min，500℃条件下保温2小时得到产物。所得产物的扫描电镜照片如图1所示，以及XRD谱图如图2所示。所制备的珍珠棉状NiO组装成扣式电池的循环性能如图3所示，循环200次后容量仍保持609mAh g-1。
实施例2
一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将乙酸镍溶解在水中，配置1.0mol/L的乙酸镍溶液；在转速为180r/min、温度为25℃的搅拌条件下，在乙酸镍溶液中加入甘氨酸，乙酸镍溶液和甘氨酸摩尔比为2.5，然后再加入异烟肼，异烟肼与甘氨酸摩尔比为1:1.8，在合适的条件下，形成深蓝色配合物溶液；在上述溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，50℃烘干得到深蓝色胶状镍前驱体；将所得深蓝色胶状镍前驱体置于瓷舟中，用管式炉进行高温煅烧，煅烧温度为450℃，时间为3小时，升温速率为1℃/分，自然冷却后得到珍珠棉状氧化镍。
实施例3
一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将硫酸镍溶解在水中，配置0.8mol/L的硫酸镍溶液；在转速为220r/min，温度为23℃的搅拌条件下，在硫酸镍溶液中加入甘氨酸，硝酸镍溶液和甘氨酸摩尔比为1:2.3，然后再加入异烟肼，异烟肼与甘氨酸摩尔比为1:2.2，在合适的条件下，形成深蓝色胶状配合物溶液；在上述溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，70℃烘干得到深蓝色胶状镍前驱体；所得深蓝色胶状镍前驱体置于瓷舟中，用管式炉进行高温煅烧，煅烧温度为600℃，时间为1小时，升温速率为5℃/分，自然冷却后得到珍珠棉状氧化镍。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解，不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将镍盐溶解在水中，配制镍盐溶液；
步骤2、在搅拌条件下，在镍盐溶液中加入甘氨酸，然后再加入异烟肼，形成深蓝色配合物溶液；
步骤3、在上述形成深蓝色配合物溶液中加入乙醇，直至得到深蓝色胶状物，经去离子水洗涤三次，烘干得到深蓝色胶状镍前驱体；
步骤4、将所得深蓝色胶状镍前驱体置于瓷舟中，用管式炉进行高温煅烧，自然冷却后得到珍珠棉状氧化镍。
2.根据权利要求1所述的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中的镍盐溶液的浓度为0.5-1.0mol/L。
3.根据权利要求1所述的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中的镍盐溶液为硝酸镍水溶液、乙酸镍水溶液或硫酸镍水溶液。
4.根据权利要求1所述的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中的镍盐溶液和甘氨酸摩尔比为1:2-1:2.5；异烟肼与甘氨酸摩尔比为1:1.8-1:2.2。
5.根据权利要求1所述的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中的搅拌转速为180-220r/min，搅拌温度为20-25℃。
6.根据权利要求1所述的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤3中的烘干温度为50-70℃。
7.根据权利要求1所述的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤4中的煅烧温度为450-600℃，时间为1-3小时，升温速率为1-5℃/分。
8.一种由权利要求1-6中任一权利要求所述的制备方法制备得到的珍珠棉状氧化镍锂电池负极材料。
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