CN108258244A - 一种新型锂离子/钾离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型锂离子/钾离子电池负极材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将对苯二甲酸与导电碳添加剂进行混合，然后加蒸馏水后进行球磨，然后干燥；将干燥物与粘结剂混合，研磨，得浆料；将所得浆料涂布在基体上，干燥，制得。本发明将对苯二甲酸用于制备电池负极材料，制得的负极材料可同时用于锂离子电池和钾离子电池，从而实现了一种电极材料可同时应用于两种或两种以上电池体系，本发明采用对苯二甲酸作为负极材料的重要成分，其与导电炭黑及粘结剂共同复合，制得的负极材料在锂离子电池和钾离子电池的恒电流充放电过程中，可提高其比容量，同时具有优异的循环稳定性。

Description

一种新型锂离子/钾离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电池负极材料及制备方法技术领域，具体涉及一种锂离子/钾离子电池新型负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池由于其能量密度大、工作电压高、循环寿命长、自放电率低等优点，已被广泛应用于各种便携式电子产品、纯电动车和混合动力汽车中。但是随着科技的发展，人们对锂离子电池的要求也越来越高，提高电池性能成为一种迫切而普遍的要求。
钾离子电池的工作原理与锂离子电池相似，相比于锂离子电池中的锂资源，钾资源具有分布广泛，价格相对低廉的天然优势，因而钾离子电池具有可持续发展的潜力。
无论是锂离子电池还是钾离子电池，其负极材料多为人造石墨、改性天然石墨等无机材料，无机材料很难同时具备存储锂离子和钾离子的能力，因此，难以实现一种电极材料在两种或两种以上的电池系统里应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种锂离子/钾离子电池新型负极材料及其制备方法，该负极材料既可以作为锂离子电池的负极材料，又可以作为钾离子电池的负极材料，同时还得到了高容量、低成本的二次电池。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型锂离子/钾离子电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)将对苯二甲酸与导电碳添加剂进行混合，然后加蒸馏水后进行球磨，然后干燥；其中，对苯二甲酸与导电碳添加剂的质量比为1-5:0.5-2.0；
(2)将步骤(1)所得物与粘结剂混合，研磨，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在基体上，干燥，制得。
进一步地，步骤(1)中对苯二甲酸与导电碳添加剂的质量比为2:1。
进一步地，步骤(1)中导电碳添加剂为导电碳黑、super P、石墨或石墨烯。
进一步地，步骤(1)所得物与粘结剂的质量比为8-10:0.8-1.2。
进一步地，步骤(1)所得物与粘结剂的质量比为9:1。
进一步地，粘结剂为LA132粘结剂。
一种锂离子/钾离子电池，包括上述的负极材料。
本发明提供的新型锂离子/钾离子电池负极材料及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)对苯二甲酸具有电化学活性，本发明将有电化学活性的对苯二甲酸用于制备电池负极材料，制得的负极材料可同时用于锂离子电池和钾离子电池，从而实现了一种电极材料可同时应用于两种或两种以上电池体系，方便电池原材料的生产，进而节约了成本。
(2)采用对苯二甲酸作为负极材料的重要成分，其与导电炭黑及粘结剂共同复合，制得的负极材料在锂离子电池和钾离子电池的恒电流充放电过程中，可提高其比容量，同时具有优异的循环稳定性。
(3)对苯二甲酸成本低，将该成分用于制备电池负极材料，与之匹配的电解液溶剂可为EC、DMC以及DEC等锂离子电池市场化溶剂，其成本低，安全可靠，无需再开发新的电解液体系。
附图说明
图1为装配的锂离子电池和钾离子电池纽扣式全电池的结构示意图。
图2为装配的锂离子电池和钾离子电池纽扣式半电池的结构示意图。
图3为锂离子电池在50mA/g的电流密度下的充放电曲线图。
图4为锂离子电池的倍率性能图。
图5为锂离子电池在200mA/g的电流密度下的长循环图。
图6为钾离子电池在20mA/g的电流密度下的充放电曲线图。
图7为钾离子电池的倍率性能图。
图8为钾离子电池在50mA/g的电流密度下的长循环图。
具体实施方式
实施例1
一种新型锂离子/钾离子电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸2g，super P 1g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得对苯二甲酸电极片。
实施例2
一种新型锂离子/钾离子电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸2g，导电炭黑0.8g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂2mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得对苯二甲酸电极片。
实施例3
一种新型锂离子/钾离子电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸5g，super P 2g，将两者混合，放入球磨罐中，加入40mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得对苯二甲酸电极片。
实施例4
一种新型锂离子/钾离子电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸5g，super P 0.5g，将两者混合，放入球磨罐中，加入40mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得对苯二甲酸电极片。
实施例5
一种新型锂离子/钾离子电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸1g，super P 0.5g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂2mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得对苯二甲酸电极片。
对比例1
一种电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取邻苯二甲酸2g，super P 1g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得负极电极片。
对比例2
一种电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸2g，super P 1g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的PVDF粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得负极电极片。
对比例3
一种电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取对苯二甲酸钠2g，super P 1g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得负极电极片。
对比例4
一种电池负极材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取间苯二甲酸2g，super P 1g，将两者混合，放入球磨罐中，加入20mL蒸馏水，以400r/min的转速球磨4h，取出球磨料，在120℃条件下烘24h；
(2)称取225mg步骤(1)所得物，放入玛瑙研钵中，加入浓度为25mg/mL的LA132粘结剂1mL，研磨30min，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在铜箔上，于60℃条件下烘干，然后用直径为10mm的打孔机打孔，制得负极电极片。
试验例
1、将实施例1制得的负极材料运用于全电池中，测试在纽扣式半电池中进行。全电池包括对苯二甲酸负极电极片、正极电极片、正负极电池壳、隔膜、电解液、弹片和垫片。纽扣式半电池包括对苯二甲酸电极片、正负极电池壳、隔膜、电解液、纯金属(锂或钾)薄片、弹片和垫片，如图1和2所示。
在惰性气氛下组装纽扣式锂离子半电池，顺序依次为负极壳、金属锂薄片、PP隔膜、电解液、对苯二甲酸电极片、垫片、弹片和正极壳。在电解液中，溶剂为EC、DEC和DMC(体积比为1:1:1)，溶质为1M/L的LiPF6。
在惰性气氛下组装纽扣式钾离子半电池，顺序依次为负极壳、金属钾薄片、玻璃纤维隔膜、电解液、对苯二甲酸电极片、垫片、弹片和正极壳。在电解液中，溶剂为EC和DMC(体积比为1:1)，溶质为1M/L的KFSI(双氟磺酰亚胺钾盐)；电池封口机压力值为50MPa。
装配锂离子电池和钾离子电池纽扣式半电池，其中，垫片和弹片起到压实作用，电解液起到传输离子的作用，隔膜起到传到离子隔绝电子的作用，铜箔起到集流体的作用。在电池放电过程中，对苯二甲酸得到电子被还原，成为还原态，在充电过程中，相应还原态失去电子，成为氧化态。在全电池中，正极活性材料可选用任意合适的正极材料，对苯二甲酸在全电池中的反应原理与半电池一致。
上述锂离子电池在50mA/g的电流密度下的充放电曲线图见图3，倍率性能图见图4，在200mA/g的电流密度下的长循环图见图5。
钾离子电池在20mA/g的电流密度下的充放电曲线图见图6，倍率性能图见图7，在50mA/g的电流密度下的长循环图见图8。
在锂离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为50mA/g时，该电池在第一次放电时表现出876mAh/g；在第二次放电时表现出360mAh/g的高比容量；在钾离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为20mA/g时，该电池在第一次放电时表现出890mAh/g；在第二次放电时表现出290mAh/g的高比容量。
在锂离子电池中，200mA/g的电流密度下循环200次，该电池的比容量平均为300mAh/g；在钾离子电池中，50mA/g的电流密度下循环150次，该电池的比容量平均为240mAh/g。
综上所述，本发明提供的负极材料，其成本低，制备过程简单，将该负极材料用于制备锂离子和钾离子电池，锂离子电池和钾离子电池均具有优异的循环稳定性，在恒流充放电过程中，也表现出了高容量性能，由倍率性能图可知，通过本发明提供的负极材料制得的锂离子和钾离子电池的倍率性能均比较优异。
2、将对比例1-4制得的电池负极材料分别用于装配锂离子电池和钾离子电池，其装配过程与上述实施例1的过程相同，然后测试充放电过程和长循环情况以及倍率性能，测试条件和过程均与上述实施例1中相同。
对比例1：在锂离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为50mA/g时，该电池在第一次放电时表现出120mAh/g；在第二次放电时表现出90mAh/g的比容量；在钾离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为20mA/g时，该电池在第一次放电时表现出110mAh/g；在第二次放电时表现出70mAh/g的高比容量。
在锂离子电池中，200mA/g的电流密度下循环200次后，该电池的比容量平均为80mAh/g；在钾离子电池中，50mA/g的电流密度下循环150次后，该电池的比容量平均为40mAh/g。
对比例2：在锂离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为50mA/g时，该电池在第一次放电时表现出845mAh/g；在第二次放电时表现出320mAh/g的比容量；在钾离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为20mA/g时，该电池在第一次放电时表现出860mAh/g；在第二次放电时表现出250mAh/g的高比容量。
在锂离子电池中，200mA/g的电流密度下循环200次后，该电池的比容量平均为240mAh/g；在钾离子电池中，50mA/g的电流密度下循环150次后，该电池的比容量平均为190mAh/g。
对比例3：在锂离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为50mA/g时，该电池在第一次放电时表现出580mAh/g；在第二次放电时表现出200mAh/g的比容量；在钾离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为20mA/g时，该电池在第一次放电时表现出486mAh/g；在第二次放电时表现出110mAh/g的高比容量。
在锂离子电池中，200mA/g的电流密度下循环200次后，该电池的比容量平均为140mAh/g；在钾离子电池中，50mA/g的电流密度下循环150次后，该电池的比容量平均为90mAh/g。
对比例4：在锂离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为50mA/g时，该电池在第一次放电时表现出100mAh/g；在第二次放电时表现出70mAh/g的比容量；在钾离子电池的恒电流充放电过程中，电流密度为20mA/g时，该电池在第一次放电时表现出90mAh/g；在第二次放电时表现出60mAh/g的高比容量。
在锂离子电池中，200mA/g的电流密度下循环200次后，该电池的比容量平均为70mAh/g；在钾离子电池中，50mA/g的电流密度下循环150次后，该电池的比容量平均为32mAh/g。
通过将本发明制得的电池负极材料与对比例制得的电池负极材料用于装配锂离子电池和钾离子电池，然后对其性能进行对比，通过上述各项测试结果可知，只有通过本发明制得的电池负极材料装配的锂离子电池和钾离子电池比容量较高，同时具有优异的循环稳定性；此外，采用该负极材料装配的锂离子电池和钾离子电池的倍率性能也优于对比例1-4的倍率性能。

Claims (8)

1.一种新型锂离子/钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将对苯二甲酸与导电碳添加剂进行混合，然后加蒸馏水后进行球磨，然后干燥；其中，对苯二甲酸与导电碳添加剂的质量比为1-5:0.5-2.0；
(2)将步骤(1)所得物与粘结剂混合，研磨，得浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料均匀涂布在基体上，干燥，制得。
2.根据权利要求1所述的新型锂离子/钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中对苯二甲酸与导电碳添加剂的质量比为2:1。
3.根据权利要求1或2所述的新型锂离子/钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中导电碳添加剂为导电碳黑、super P、石墨或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的新型锂离子/钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所得物与粘结剂的质量比为8-10:0.8-1.2。
5.根据权利要求4所述的新型锂离子/钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所得物与粘结剂的质量比为9:1。
6.根据权利要求1所述的新型锂离子/钾离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，粘结剂为LA132粘结剂。
7.采用权利要求1-6任一项所述的方法制得的新型锂离子/钾离子电池负极材料。
8.一种锂离子/钾离子电池，其特征在于，包括权利要求7所述的负极材料。
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