CN108649224A - 基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法、负极材料和电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法、负极材料和电池，将生物质材料与离子液体混合搅拌均匀，得到的混合物升温至800～1000℃保温热处理2～5h，冷却后至室温取出，研磨成粉、过筛得到锂离子电池负极材料。本发明以离子液体为溶剂溶解生物质制备锂离子电池负极材料，原料易得，环境友好，采用该负极材料的锂离子比容量较高，循环性能好。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法、负极材料和电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
随着科学技术的飞速发展与生活水平的日益提高，我们对能源的需求日益增长，伴随着不可再生能源的日益枯竭，越来越多的关注被投向可再生能源，锂电池作为最成功的储能装置之一，在近几年得到了大大的关注。与此同时，手机电脑等电子设备的续航能力也对电池的容量及充放电效率提出了更高的要求，电动汽车的开发也迫在眉睫，这些都使锂离子电池的电极以及电解液的相关研究成为现代材料科学的研究热点。
生物质材料是可再生的且存量丰富，包括木粉、秸秆、玉米杆、稻壳、甘蔗渣、纤维素、木质素、棉花。这类生物质主要组份为纤维素、半纤维素和木质素三种天然高聚物。其中纤维素占50％～65％(w/w)，是由D-吡喃式葡萄糖基通过β-1/4糖苷键连接而成的线型高聚物，每个葡萄糖单元上均含有3个游离羟基，由于纤维素通过羟基形成分子间氢键，结晶度高；半纤维素为高聚糖类，占20～30％(w/w)，主要由木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等五碳糖组成；木质素占15％～30％(w/w)，是由三种苯丙烷单元通过C-C键和C-O-C键联结而成，具有三维立体网状结构的高聚物，且通过LCC键与半纤维素相联结。生物质材料富含大量的碳元素，并且作为纤维材料，非常适合制备多孔碳材料。从材料制备方法来看，以天然的纤维为原料制备多孔碳材料，一般都需要在KOH溶液中活化，之后在超过1500℃的高温下烧结，不但浪费能源而且污染环境。
离子液体是指在温度低于100℃呈液态的离子聚集体。离子液体与普通的有机溶剂不同，在离子液体里不存在为电中性的分子，全部由负离子和正离子组成。离子液体可以溶解大多数无机物、有机物和高分子材料；它不仅可以作为溶剂使用，甚至还可以作为某些反应的催化剂。离子液体一般不会挥发，所以在反应的过程中不会产生有毒有害气体。总之，离子液体的无味、无恶臭、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用等优点，使它成为传统挥发性有机溶剂的理想替代品。它有效地避免了使用有机溶剂所造成严重的环境污染问题，成为环境友好的绿色溶剂。常见的离子液体主要由烷基吡啶或双烷基咪唑季铵正离子与BF-4、PF-6、NO-3、X-等负离子组成。若能采用离子液体溶解生物质材料制备锂电池负极碳材料，将对锂离子电池技术的发展起重要作用。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种低温且环境友好的方法制备碳材料作为锂离子电池负极材料，采用离子液体瓦解生物质的结构，使得烧结过程中碳原子重新排列，达到高度有序的石墨烯结构。在作为锂电池负极材料时，有较高的比容量，很稳定的循环充放电性能。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，包括如下步骤：
步骤一：将生物质材料与离子液体混合搅拌均匀；
步骤二：将步骤一得到的混合物升温至800～1000℃保温热处理2～5h，优选1000℃，冷却至室温取出，研磨成粉、过筛即得。
步骤一中，所述生物质材料选自木粉、秸秆、玉米杆、稻壳、甘蔗渣、纤维素、木质素和棉花中的一种或两种以上的组合。
步骤一中，所述离子液体的阳离子为烷基吡啶或双烷基咪唑季铵盐，阴离子为氯盐、醋酸盐或磷酸盐。
步骤一中，所述生物质材料与离子液体的质量比为1:2～5，优选1:3。
步骤一中，所述搅拌的搅拌速率为400～500转/分钟，搅拌时间为10～12h。
步骤二中，所述热处理在氮气保护下进行，升温速率为3～6℃/min，优选5℃/min；冷却降温速率为3～6℃/min，优选5℃/min。
步骤二中，所述过筛的粉末粒径小于100目。
上述方法制备得到的锂离子电池负极材料同样在本发明的保护范围中。
本发明还提供一种锂离子电池，其负极包括上述锂离子电池负极材料。
有益效果：
1、本发明锂离子电池负极材料以生物质为原材料，自然界中广泛存在，易于获得，以离子液体为溶剂溶解生物质，不会产生有毒气体，环境友好；
2、本发明通过碳化的方法，可以一步得到需要的锂电池负极碳材料，不需要通过其他化学合成的方法，碳化温度不超过1000℃，较一般的硬碳碳化的温度相比较低，很大程度上节约了能源；
3、本发明产品作为锂电池负极材料比容量较高，循环性能好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是实施例1制备得到的锂离子电池负极材料的透射电镜图；
图2是实施例1制备得到的锂离子电池负极材料的透射电镜衍射图；
图3是实施例1制备得到的锂离子电池负极材料石墨烯量子点的透射电镜图；
图4是实施例1制备的锂离子电池在200mA/g的电流密度下的比容量曲线图；
图5是实施例1制备的锂离子电池循环充放电库伦效率曲线图；
图6是实施例1制备的锂离子电池不同电流密度下的比容量曲线图；
图7是实施例2制备得到的锂离子电池负极材料的微观结构扫描图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
实施例1
取微晶纤维素(柱层析)5g和离子液体(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)15g放置入三口烧瓶以400转/min搅拌12h，取出放置入管式高温炉烧结，升温速率为5℃/min，从50℃加热至1000℃，恒温保持3h，之后以5℃/min降温至室温，取出样品研磨成粉末状，过100目筛得到锂离子电池负极材料。
实施例2
胡桑枝条木粉5g粉碎，球磨，干燥后与1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐15g放置入三口烧瓶以500转/分钟搅拌10小时，取出放置入管式高温炉烧结，升温速率为6℃/min，从50℃加热至1000℃，恒温保持4h，之后以6℃/min降温至室温，取出样品研磨成粉末状，过100目筛得到锂离子电池负极材料。
实施例3
取秸秆5g粉碎，球磨，干燥后和离子液体(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)10g放置入三口烧瓶以400转/min搅拌12h，取出放置入管式高温炉烧结，升温速率为3℃/min，从50℃加热至800℃，恒温保持2h，之后以3℃/min降温至室温，取出样品研磨成粉末状，过100目筛得到锂离子电池负极材料。
实施例4
取秸秆5g粉碎，球磨，干燥后和离子液体(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)25g放置入三口烧瓶以400转/min搅拌12h，取出放置入管式高温炉烧结，升温速率为5℃/min，从50℃加热至900℃，恒温保持5h，之后以5℃/min降温至室温，取出样品研磨成粉末状，过100目筛得到锂离子电池负极材料。
实施例5
将实施例1～4制备得到的锂离子电池负极材料分别与导电剂乙炔黑、聚偏二氟乙烯以质量比为8:1:1混合，用N-甲基吡咯烷酮将上述混合物调制成浆状，涂抹至铜箔片之上，制成的材料涂层放于烘箱中，于80℃烘干6h，烘干完成后移入真空干燥箱中，以120℃真空干燥12h制得实验用电池极片，以锂片为对电极，多孔聚丙烯隔膜作为隔膜，六氟磷酸锂的有机物溶液作为电解液，并加入弹片和垫片，在手套箱中装配成LIR2032型号纽扣电池。
图1是实施例1制备得到的锂离子电池负极材料的透射电镜图，可以发现样品内部出现了大面积的非常明显的石墨烯层状结构，层与层之间区分明显，此种层层分开的结构便于存储锂离子，因此作为锂离子电池负极材料时有着较大的比容量，说明该种方法对微晶纤维素改性效果显著。图2中的透射电镜衍射图看出样品有较好的结晶性能。另外，从图3中可以很清晰地看到晶面间距有序明显的石墨烯量子点。
经测定，使用该样品作为电极材料时，锂离子电池在200mA/g的电流密度下的比容量达到了450mAh/g(见图4)，电池循环充放电1000次后，库伦效率仍接近100％(见图5)。图6为制备而得的锂离子电池在不同电流密度之下的比容量曲线图。
图7是实施例2制备得到的锂离子电池负极材料的微观结构扫描图，可以发现样品内部出现了较少区域的类石墨烯层状结构，出现了少部分类石墨烯的层状结构，说明该种方法对木粉改性较为明显。
本发明提供了一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法、负极材料和电池的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将生物质材料与离子液体混合搅拌均匀；
步骤二：将步骤一得到的混合物升温至800～1000℃保温热处理2～5h，冷却后至室温取出，研磨成粉、过筛即得。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤一中，所述生物质材料选自木粉、秸秆、玉米杆、稻壳、甘蔗渣、纤维素、木质素和棉花中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤一中，所述离子液体的阳离子为烷基吡啶或双烷基咪唑季铵盐，阴离子为氯盐、醋酸盐或磷酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤一中，所述生物质材料与离子液体的质量比为1:2～5。
5.根据权利要求1所述的一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤一中，所述搅拌的搅拌速率为400～500转/分钟，搅拌时间为10～12h。
6.根据权利要求1所述的一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤二中，所述热处理在氮气保护下进行，升温速率为3～6℃/min，冷却降温速率为3～6℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种基于生物质材料制备锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤二中，所述过筛的粉末粒径小于100目。
8.权利要求1～7中任意一种制备方法制备得到的锂离子电池负极材料。
9.一种锂离子电池，其特征在于，其负极包括权利要求8所述的锂离子电池负极材料。
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