CN107425215A - 一种淀粉基复合硬碳负极材料的制备方法及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池材料技术领域,具体地说是一种淀粉基复合硬碳负极材料的制备方法及用途,其特征在于采用如下制备步骤:(1)、两步碳化得到淀粉基硬碳;(2)、液湘浸渍法制备碳前体;(3)、高温碳化;(4)、筛分、分级处理。本发明与现有技术相比,原料来源普通、成本低;不使用有机溶剂,无有毒有害废渣和尾气,制备工艺绿色无污染;制备出的材料,其首次放电容量在450mAh/g以上,首次充放电效率在80%以上;且电化学性能好;循环性能好;大电流充放电性能较好;安全性好;对电解液及其它添加剂适应性较好;产品性质稳定,批次之间几乎没有差别。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域,具体地说是一种淀粉基复合硬碳负极材料的制备方法及用途。
背景技术
锂离子电池是上个世纪90年代开始实用化的新型高能二次电池,具有工作电压高、重量轻、比能量大、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和环境污染小等优点。锂离子电池负极材料以碳为主,主要有人造石墨、天然石墨和无定形碳。但当前石墨负极存在以下问题:1、电位平台与金属锂的电位接近,易析出枝晶Li而引起短路;2、SEI膜不稳定,易发生Li+与有机溶剂共同嵌入石墨层,导致石墨剥离与粉化;3、石墨C层间距(d002≤0.34nm)<LixC6(~0.37nm),体积变化8%,易导致石墨层剥离和粉化;4、石墨与有机溶剂发生放热反应,易产生可燃气体,电池易燃烧;5、Li+扩散系数小,难快速充电。
无定形碳按石墨化的难易程度可分为硬碳和软碳。与石墨相比而言,无定形碳中的硬碳具有电极膨胀小,电池不发生翘曲,高循化寿命和倍率性能好等优点在便携电动工具和电动汽车领域具有潜在的应用。硬碳按来源可分为生物质和化石资源两类,用生物质淀粉作为硬碳前驱体具有环保和成本低等优点,但其首次效率较低制约了其工业化应用。
淀粉基硬碳与沥青和树脂类硬碳相比亲水性较好,采用环保的亲水的包覆材料及石墨的协同作用提高其电化学性能,尚未见文献报道,具有较大的经济价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,采用淀粉作为硬碳前驱体并结合环保、亲水的包覆材料及石墨的协同,制备出高电化学性能的锂离子二次电池负极材料。
为实现上述目的,设计一种淀粉基复合硬碳负极材料的制备方法,其特征在于采用如下制备步骤:
(1)、两步碳化得到淀粉基硬碳:取淀粉,在空气气氛下,以170-250℃恒温保持24-48h,直至淀粉完全变为黑色粉末;然后在氮气气氛下以2℃/min升温至900-1100℃,并保持1-4h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳;
(2)、液湘浸渍法制备碳前体:按淀粉基硬碳:蔗糖:石墨重量比=20:3:0.1-3称取原料,将原料混合得原料混合物,并加入到是原料混合物两倍体积的去离子水中,搅拌或超声1h后,80℃干燥直至成固体粉末,得碳前体;
(3)、高温碳化:碳前体放入具有氮气气氛的炉膛内,以温度为700~850℃,高温碳化1~4h,得到复合碳化颗粒;
(4)、筛分、分级处理:将复合碳化颗粒,以60-200目进行筛分,取筛下物,并放入分级机中以频率60~150Hz进行分级处理,得淀粉基复合硬碳负极材料。
所述石墨为片状石墨,片状石墨的D50为1~5μm。
所述的石墨为微晶石墨,微晶石墨的D50为1~5μm。
一种淀粉基复合硬碳负极材料的用途,其特征在于:应用于锂离子二次电池负极材料。
本发明与现有技术相比,原料来源普通、成本低;不使用有机溶剂,无有毒有害废渣和尾气,制备工艺绿色无污染;制备出的材料,其首次放电容量在450mAh/g以上,首次充放电效率在80%以上;且电化学性能好;循环性能好;大电流充放电性能较好;安全性好;对电解液及其它添加剂适应性较好;产品性质稳定,批次之间几乎没有差别。
附图说明
图1为本发明制备出的淀粉基复合硬碳负极材料的SEM图。
图2为本发明制备出的淀粉基复合硬碳负极材料与淀粉硬碳的0.1C首周循环放电曲线对比图。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步地说明。
下述各实施例中,半电池测试方法为:各实施例制备出的负极材料样品分别与导电剂乙炔黑、粘结剂聚四氟乙烯乳液按质量比80:15:5在水溶液中混合均匀,然后压片在铜箔上,制得负极片,将负极片放入温度为110℃真空干燥箱中真空干燥4小时备用。以金属锂片为负极,1mol/L六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的溶液作为电解液,Celgard2400聚丙烯微孔膜为隔膜,组装成CR2025型纽扣锂离子电池进行充放电,制度为恒流0.1C放电至2mV,搁置10分钟后再以0.01C放电至1mV,最后以0.1C充电至2V。
实施例1
将淀粉首先在空气气氛下,170℃恒温保持48h,直至淀粉完全变为黑色粉末,然后在氮气气氛下以2℃/min升至900℃,保持4h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳。
将淀粉基硬碳与蔗糖和D50为1μm的片状石墨按重量比为20:3:0.1混合得原料混合物,并将原料混合物加入到是其两倍体积的去离子水中,搅拌或超声1h后,80℃干燥直至成固体粉末,得到碳前体。
将碳前体放入炉膛内,在氮气气氛下,温度为700℃,高温碳化1h,得到复合碳化颗粒。
将碳化颗粒经60目筛分后,取筛下物,并在分级机中以频率60Hz进行分级,即得到淀粉基复合硬碳负极材料。
测得该淀粉基复合硬碳负极材料的半电池容量为465.6mAh/g,首次效率80%。
实施例2
将淀粉首先在空气气氛下,250℃恒温保持24h,直至淀粉完全变为黑色粉末,然后在氮气气氛下以2℃/min升至1100℃,保持1h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳。
将淀粉基硬碳与蔗糖和D50为5μm的片状石墨按重量比为20:3:3混合得原料混合物,并将原料混合物加入到是其两倍体积的去离子水中搅拌或超声1h后,以80℃干燥直至成固体粉末,得到碳前体。
将碳前体放入炉膛内,在氮气气氛下,温度为850℃,高温碳化4h,得到复合碳化颗粒。
将碳化颗粒经200目筛分后,取筛下物,并在分级机中以频率150Hz进行分级,即得到淀粉基复合硬碳负极材料。
测得该淀粉基复合硬碳负极材料的半电池容量为460.5mAh/g,首次效率81.2%。
实施例3
将淀粉首先在空气气氛下,200℃恒温保持36h,直至淀粉完全变为黑色粉末,然后在氮气气氛下以2℃/min升至1000℃,保持2h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳。
将淀粉基硬碳与蔗糖和D50为3μm的片状石墨按重量比为20:3:1混合得原料混合物,并将原料混合物加入到是其两倍体积的去离子水中搅拌或超声1h后,以80℃干燥直至成固体粉末,得到碳前体。
将碳前体放在炉膛内,在氮气气氛下,温度为800℃,高温碳化2h,得到复合碳化颗粒。
将碳化颗粒经150目筛分后,取筛下物,并在分级机中以频率90Hz进行分级即得到淀粉基复合硬碳负极材料。
测得该淀粉基复合硬碳负极材料的半电池容量为456.2mAh/g,首次效率80.5%。
实施例4
将淀粉首先在空气气氛下,170℃恒温保持30h,直至淀粉完全变为黑色粉末,然后在氮气气氛下以2℃/min升至1100℃,保持3h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳。
将淀粉基硬碳与蔗糖和D50为5μm的微晶石墨按重量比为20:3:0.1混合得原料混合物,并将原料混合物加入到是其两倍体积的去离子水中搅拌或超声1h后,以80℃干燥直至成固体粉末,得到碳前体。
将碳前体放在炉膛内,在氮气气氛下,温度为700℃,高温碳化3h,得到复合碳化颗粒。
将碳化颗粒经60目筛分后,取筛下物,并在分级机中以频率60Hz进行分级,即得到淀粉基复合硬碳负极材料。
测得该淀粉基复合硬碳负极材料的半电池容量为461.7mAh/g,首次效率80.2%。
实施例5
将淀粉首先在空气气氛下,200℃恒温保持24h,直至淀粉完全变为黑色粉末,然后在氮气气氛下,以2℃/min升至1000℃保持2h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳。
将淀粉基硬碳与蔗糖和D50为1μm的微晶石墨按重量比为20:3:2混合得原料混合物,并将原料混合物加入到是其两倍体积的去离子水中搅拌或超声1h后,以80℃干燥直至成固体粉末,得到碳前体。
将碳前体放在炉膛内,在氮气气氛下,温度为800℃,高温碳化2h,得到复合碳化颗粒。
将碳化颗粒经150目筛分后,取筛下物,并在分级机中以频率90Hz进行分级,即得到淀粉基复合硬碳负极材料。
测得该淀粉基复合硬碳负极材料的半电池容量为470.3mAh/g,首次效率82.5%。
实施例6
将淀粉首先在空气气氛下,250℃恒温保持48h,直至淀粉完全变为黑色粉末,然后在氮气气氛下以2℃/min升至900℃保持4h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳。
将淀粉基硬碳与蔗糖和D50为3μm的微晶石墨按重量比为20:3:3混合得原料混合物,并将原料混合物加入到是其两倍体积的去离子水中搅拌或超声1h后,以80℃干燥直至成固体粉末,得到碳前体。
将碳前体放在炉膛内,在氮气气氛下,温度为850℃,高温碳化4h,得到复合碳化颗粒。
将碳化颗粒经200目筛分后,取筛下物,并在分级机中以频率150Hz进行分级即得到淀粉基复合硬碳负极材料。
测得该淀粉基复合硬碳负极材料的半电池容量为459.1mAh/g,首次效率80.7%。
参见图1和图2,可见本发明制备的淀粉基复合硬碳材料优于普通的淀粉硬碳材料。
本制备方法克服了现有硬碳负极材料制备工艺复杂,制造成本高、制备工艺对环境不友好,硬碳首次效率低、难以实现商业化的缺陷。本发明提供的制备方法,简便易行,绿色无污染,原料来源广泛且成本低,制得的复合硬碳负极材料电化学性能好,大电流充放电性能和循环性能好,安全性和稳定性好,并且对电解液及其它添加剂适应性较好,并且使用该淀粉复合硬碳负极材料所制得的锂离子电池产品性能稳定,批次之间几乎没有差别。
Claims (4)
1.一种淀粉基复合硬碳负极材料的制备方法,其特征在于采用如下制备步骤:
(1)、两步碳化得到淀粉基硬碳:取淀粉,在空气气氛下,以170-250℃恒温保持24-48h,直至淀粉完全变为黑色粉末;然后在氮气气氛下以2℃/min升温至900-1100℃,并保持1-4h后,自然冷却至室温得到淀粉基硬碳;
(2)、液湘浸渍法制备碳前体:按淀粉基硬碳:蔗糖:石墨重量比=20:3:0.1-3称取原料,将原料混合得原料混合物,并加入到是原料混合物两倍体积的去离子水中,搅拌或超声1h后,80℃干燥直至成固体粉末,得碳前体;
(3)、高温碳化:碳前体放入具有氮气气氛的炉膛内,以温度为700~850℃,高温碳化1~4h,得到复合碳化颗粒;
(4)、筛分、分级处理:将复合碳化颗粒,以60-200目进行筛分,取筛下物,并在分级机中以频率60~150Hz进行分级处理,得淀粉基复合硬碳负极材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述石墨为片状石墨,片状石墨的D50为1~5μm。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的石墨为微晶石墨,微晶石墨的D50为1~5μm。
4.如权利要求1~3任一项所述的制备方法制备的淀粉基复合硬碳负极材料的用途,其特征在于:应用于锂离子二次电池负极材料。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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