CN109980197A - 一种用于锂电池的负极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于锂电池的负极材料，涉及锂电池技术领域，所述用于锂电池的负极材料包括以下的原料：中间相炭微球、纳米硅、N‑甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰。本发明还公开了所述用于锂电池的负极材料的制备方法。为了解决目前市场上的锂离子电池负极材料的比容量较低而限制了锂离子电池能量密度进一步提高的问题，本发明通过将多种原料进行合理配伍，同时辅助超声波微波组合效应，能够有效提高材料的比容量，可用于制备锂离子电池，具有广阔的市场前景。

Description

一种用于锂电池的负极材料
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体是一种用于锂电池的负极材料。
背景技术
随着科学技术的发展，各种电子产品及电动车也得到广泛的发展，同时人们对于锂离子电池的需求量也在不断增加。锂电池作为一种新型绿色的二次电池，具有能量密度大、工作电压高、循环次数多等优点，可以有效缓解能源危机和减轻环境污染压力。
其中，负极材料作为锂离子电池中的关键材料之一，它的性能好坏直接会影响整个锂离子电池性能的发挥。但是，目前市场上的锂离子电池负极材料主要以石墨类碳材料为主，由于其比容量较低而限制了锂离子电池能量密度的进一步提高。因此，设计一种用于锂电池的负极材料，成为目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锂电池的负极材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于锂电池的负极材料，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球6-10份、纳米硅15-21份、N-甲基吡咯烷酮100-150份、改性石墨烯6-8份、碳纳米管1-3份、三氧化二铁0.8-1.2份、钛酸锂3-5份、碳酸锰6-8份；通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，能够有效提高材料的比容量。
作为本发明进一步的方案：包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球8份、纳米硅18份、N-甲基吡咯烷酮120份、改性石墨烯7份、碳纳米管2份、三氧化二铁1份、钛酸锂4份、碳酸锰7份。
作为本发明再进一步的方案：所述改性石墨烯的制备方法为称取适量的石墨烯置于10倍体积的硫酸溶液中进行搅拌10h，然后边搅拌边缓慢加入高锰酸钾进行混合均匀，再升温至50℃进行搅拌80min，然后滴加浓度为0.5mol/L的双氧水至溶液呈亮黄色，静置6小时后取下层悬浊液倒入离心管中用体积浓度为15％的盐酸溶液洗涤除掉锰离子，然后进行真空干燥并研磨至400目，即得所述改性石墨烯；通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料。
作为本发明再进一步的方案：所述搅拌的搅拌速率为500r/min；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L；所述高锰酸钾的加入量为石墨烯质量的4倍；所述真空干燥的温度为60℃，干燥时间为30小时。
所述用于锂电池的负极材料的制备方法，步骤如下：
1)按照重量份称取改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂和碳酸锰共同投入至搅拌式球磨机中进行机械活化，然后进行干燥并过400目筛，得混合料A，备用；
2)按照重量份称取中间相炭微球、纳米硅和N-甲基吡咯烷酮进行搅拌混合均匀，然后以80W的超声功率进行超声分散处理60min，得混合浆料B；
3)将步骤1)中得到的混合料A加入至步骤2)中得到的混合浆料B中进行混合均匀，然后送入超声波微波组合反应系统中进行处理30min，得混合料C；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料；
4)将步骤3)中得到的混合料C在氮气保护下以750℃的温度进行锻烧6h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，得混合料D；
5)将步骤4)中得到的混合料D在氮气保护下以1280℃的温度进行锻烧10h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，除磁筛分，即得。
作为本发明再进一步的方案：步骤3)中，所述的超声波微波组合反应系统的处理条件为：超声波频率为20kHz，超声功率为200W，微波频率为2450MHz，微波功率为200W。
作为本发明再进一步的方案：所述超声波微波组合反应系统为南京先欧公司的XO-SM500型号的超声波微波组合反应系统。
所述的用于锂电池的负极材料在制备锂电池产品中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明制备的用于锂电池的负极材料具有良好的比容量，本发明通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，同时辅助超声波微波组合效应，起到了协同增效的作用，能够有效提高材料的比容量，解决了目前市场上的锂离子电池负极材料的比容量较低而限制了锂离子电池能量密度进一步提高的问题；
2)本发明通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料，可用于制备锂离子电池，具有广阔的市场前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种用于锂电池的负极材料，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球6份、纳米硅15份、N-甲基吡咯烷酮100份、改性石墨烯6份、碳纳米管1份、三氧化二铁0.8份、钛酸锂3份、碳酸锰6份；通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，能够有效提高材料的比容量；
其中，所述改性石墨烯的制备方法为称取适量的石墨烯置于10倍体积的硫酸溶液中进行搅拌10h，然后边搅拌边缓慢加入高锰酸钾进行混合均匀，再升温至50℃进行搅拌80min，然后滴加浓度为0.5mol/L的双氧水至溶液呈亮黄色，静置6小时后取下层悬浊液倒入离心管中用体积浓度为15％的盐酸溶液洗涤除掉锰离子，然后进行真空干燥并研磨至400目，即得所述改性石墨烯；通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料；
进一步的，所述搅拌的搅拌速率为500r/min；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L；所述高锰酸钾的加入量为石墨烯质量的4倍；所述真空干燥的温度为60℃，干燥时间为30小时。
本实施例中，所述用于锂电池的负极材料的制备方法，步骤如下：
1)按照重量份称取改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂和碳酸锰共同投入至搅拌式球磨机中进行机械活化，然后进行干燥并过400目筛，得混合料A，备用；
2)按照重量份称取中间相炭微球、纳米硅和N-甲基吡咯烷酮进行搅拌混合均匀，然后以80W的超声功率进行超声分散处理60min，得混合浆料B；
3)将步骤1)中得到的混合料A加入至步骤2)中得到的混合浆料B中进行混合均匀，然后送入超声波微波组合反应系统中进行处理30min，得混合料C；
其中，所述的超声波微波组合反应系统的处理条件为：超声波频率为20kHz，超声功率为200W，微波频率为2450MHz，微波功率为200W；所述超声波微波组合反应系统为南京先欧公司的XO-SM500型号的超声波微波组合反应系统；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料；
4)将步骤3)中得到的混合料C在纯度为99.99％的氮气保护下以750℃的温度进行锻烧6h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，得混合料D；
5)将步骤4)中得到的混合料D在纯度为99.99％的氮气保护下以1280℃的温度进行锻烧10h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，除磁筛分，即得；通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，同时辅助超声波微波组合效应，起到了协同增效的作用，能够有效提高材料的比容量。
本实施例中，所述的用于锂电池的负极材料在制备锂电池产品中的应用。
实施例2
一种用于锂电池的负极材料，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球10份、纳米硅21份、N-甲基吡咯烷酮150份、改性石墨烯8份、碳纳米管3份、三氧化二铁1.2份、钛酸锂5份、碳酸锰8份；其中，所述改性石墨烯的制备方法为称取适量的石墨烯置于10倍体积的硫酸溶液中进行搅拌10h，然后边搅拌边缓慢加入高锰酸钾进行混合均匀，再升温至50℃进行搅拌80min，然后滴加浓度为0.5mol/L的双氧水至溶液呈亮黄色，静置6小时后取下层悬浊液倒入离心管中用体积浓度为15％的盐酸溶液洗涤除掉锰离子，然后进行真空干燥并研磨至400目，即得所述改性石墨烯；通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料；
进一步的，所述搅拌的搅拌速率为500r/min；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L；所述高锰酸钾的加入量为石墨烯质量的4倍；所述真空干燥的温度为60℃，干燥时间为30小时。
本实施例中，所述用于锂电池的负极材料的制备方法，步骤如下：
1)按照重量份称取改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂和碳酸锰共同投入至搅拌式球磨机中进行机械活化，然后进行干燥并过400目筛，得混合料A，备用；
2)按照重量份称取中间相炭微球、纳米硅和N-甲基吡咯烷酮进行搅拌混合均匀，然后以80W的超声功率进行超声分散处理60min，得混合浆料B；
3)将步骤1)中得到的混合料A加入至步骤2)中得到的混合浆料B中进行混合均匀，然后送入超声波微波组合反应系统中进行处理30min，得混合料C；
其中，所述的超声波微波组合反应系统的处理条件为：超声波频率为20kHz，超声功率为200W，微波频率为2450MHz，微波功率为200W；所述超声波微波组合反应系统为南京先欧公司的XO-SM500型号的超声波微波组合反应系统；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料；
4)将步骤3)中得到的混合料C在纯度为99.99％的氮气保护下以750℃的温度进行锻烧6h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，得混合料D；
5)将步骤4)中得到的混合料D在纯度为99.99％的氮气保护下以1280℃的温度进行锻烧10h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，除磁筛分，即得。
本实施例中，所述的用于锂电池的负极材料在制备锂电池产品中的应用。
实施例3
一种用于锂电池的负极材料，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球8份、纳米硅18份、N-甲基吡咯烷酮125份、改性石墨烯7份、碳纳米管2份、三氧化二铁1份、钛酸锂4份、碳酸锰7份；通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，能够有效提高材料的比容量；
其中，所述改性石墨烯的制备方法为称取适量的石墨烯置于10倍体积的硫酸溶液中进行搅拌10h，然后边搅拌边缓慢加入高锰酸钾进行混合均匀，再升温至50℃进行搅拌80min，然后滴加浓度为0.5mol/L的双氧水至溶液呈亮黄色，静置6小时后取下层悬浊液倒入离心管中用体积浓度为15％的盐酸溶液洗涤除掉锰离子，然后进行真空干燥并研磨至400目，即得所述改性石墨烯；通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料；
进一步的，所述搅拌的搅拌速率为500r/min；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L；所述高锰酸钾的加入量为石墨烯质量的4倍；所述真空干燥的温度为60℃，干燥时间为30小时。
本实施例中，所述用于锂电池的负极材料的制备方法，步骤如下：
1)按照重量份称取改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂和碳酸锰共同投入至搅拌式球磨机中进行机械活化，然后进行干燥并过400目筛，得混合料A，备用；
2)按照重量份称取中间相炭微球、纳米硅和N-甲基吡咯烷酮进行搅拌混合均匀，然后以80W的超声功率进行超声分散处理60min，得混合浆料B；
3)将步骤1)中得到的混合料A加入至步骤2)中得到的混合浆料B中进行混合均匀，然后送入超声波微波组合反应系统中进行处理30min，得混合料C；
其中，所述的超声波微波组合反应系统的处理条件为：超声波频率为20kHz，超声功率为200W，微波频率为2450MHz，微波功率为200W；所述超声波微波组合反应系统为南京先欧公司的XO-SM500型号的超声波微波组合反应系统；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料；
4)将步骤3)中得到的混合料C在纯度为99.99％的氮气保护下以750℃的温度进行锻烧6h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，得混合料D；
5)将步骤4)中得到的混合料D在纯度为99.99％的氮气保护下以1280℃的温度进行锻烧10h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，除磁筛分，即得；通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，同时辅助超声波微波组合效应，起到了协同增效的作用，能够有效提高材料的比容量。
本实施例中，所述的用于锂电池的负极材料在制备锂电池产品中的应用。
实施例4
一种用于锂电池的负极材料，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球8份、纳米硅18份、N-甲基吡咯烷酮120份、改性石墨烯7份、碳纳米管2份、三氧化二铁1份、钛酸锂4份、碳酸锰7份；其中，所述改性石墨烯的制备方法为称取适量的石墨烯置于10倍体积的硫酸溶液中进行搅拌10h，然后边搅拌边缓慢加入高锰酸钾进行混合均匀，再升温至50℃进行搅拌80min，然后滴加浓度为0.5mol/L的双氧水至溶液呈亮黄色，静置6小时后取下层悬浊液倒入离心管中用体积浓度为15％的盐酸溶液洗涤除掉锰离子，然后进行真空干燥并研磨至400目，即得所述改性石墨烯；通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料；所述搅拌的搅拌速率为500r/min；所述硫酸溶液的浓度为1mol/L；所述高锰酸钾的加入量为石墨烯质量的4倍；所述真空干燥的温度为60℃，干燥时间为30小时。
本实施例中，所述用于锂电池的负极材料的制备方法，步骤如下：
1)按照重量份称取改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂和碳酸锰共同投入至搅拌式球磨机中进行机械活化，然后进行干燥并过400目筛，得混合料A，备用；
2)按照重量份称取中间相炭微球、纳米硅和N-甲基吡咯烷酮进行搅拌混合均匀，然后以80W的超声功率进行超声分散处理60min，得混合浆料B；
3)将步骤1)中得到的混合料A加入至步骤2)中得到的混合浆料B中进行混合均匀，然后送入超声波微波组合反应系统中进行处理30min，得混合料C；
其中，所述的超声波微波组合反应系统的处理条件为：超声波频率为20kHz，超声功率为200W，微波频率为2450MHz，微波功率为200W；所述超声波微波组合反应系统为南京先欧公司的XO-SM500型号的超声波微波组合反应系统；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料；
4)将步骤3)中得到的混合料C在纯度为99.99％的氮气保护下以750℃的温度进行锻烧6h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，得混合料D；
5)将步骤4)中得到的混合料D在纯度为99.99％的氮气保护下以1280℃的温度进行锻烧10h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，除磁筛分，即得。
本实施例中，所述的用于锂电池的负极材料在制备锂电池产品中的应用。
对比例1
市售的锂电池负极材料。
性能试验
对实施例1-4及对比例1中制备的负极材料进行性能检测，具体是将负极材料、天然石墨、聚四氟乙烯按75:15:10的质量比均匀混合，真空干燥后加入N-甲基吡咯烷酮制成浆料涂在铜箔衬底上，再在100℃真空干燥12小时后在8MPa压力下压紧，裁剪成所需形状的薄片，按常规方法进行检测比容量，检测结果如表1所示。
从实施例1-4与对比例1的数据对比中可以看出，与市售产品相比，本发明通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，同时辅助超声波微波组合效应，起到了协同增效的作用，能够有效提高材料的比容量，其提高效果超过10％。
表1检测结果表
本发明有益效果是，本发明通过以中间相炭微球、纳米硅、N-甲基吡咯烷酮、改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂、碳酸锰等为原料进行合理配伍，同时辅助超声波微波组合效应，起到了协同增效的作用，能够有效提高材料的比容量，解决了目前市场上的锂离子电池负极材料的比容量较低而限制了锂离子电池能量密度进一步提高的问题；通过对石墨烯进行改性，有效提高了材料的物理性能，进而有利于制备比容量高的负极材料；通过超声波微波组合反应系统的超声波微波组合效应，有利于提高物料之间的相互作用效果，进而有利于制备比容量高的负极材料，可用于制备锂离子电池，具有广阔的市场前景。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于锂电池的负极材料，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球6-10份、纳米硅15-21份、N-甲基吡咯烷酮100-150份、改性石墨烯6-8份、碳纳米管1-3份、三氧化二铁0.8-1.2份、钛酸锂3-5份、碳酸锰6-8份。
2.根据权利要求1所述的用于锂电池的负极材料，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：中间相炭微球8份、纳米硅18份、N-甲基吡咯烷酮120份、改性石墨烯7份、碳纳米管2份、三氧化二铁1份、钛酸锂4份、碳酸锰7份。
3.根据权利要求1或2所述的用于锂电池的负极材料，其特征在于，所述改性石墨烯的制备方法为称取适量的石墨烯置于10倍体积的硫酸溶液中进行搅拌10h，然后边搅拌边缓慢加入高锰酸钾进行混合均匀，再升温至50℃进行搅拌80min，然后滴加浓度为0.5mol/L的双氧水至溶液呈亮黄色，静置6小时后取下层悬浊液倒入离心管中用体积浓度为15％的盐酸溶液洗涤除掉锰离子，然后进行真空干燥并研磨至400目，即得所述改性石墨烯。
4.根据权利要求3所述的用于锂电池的负极材料，其特征在于，所述搅拌的搅拌速率为500r/min。
5.根据权利要求4所述的用于锂电池的负极材料，其特征在于，所述硫酸溶液的浓度为1mol/L；所述高锰酸钾的加入量为石墨烯质量的4倍。
6.根据权利要求5所述的用于锂电池的负极材料，其特征在于，所述真空干燥的温度为60℃，干燥时间为30小时。
7.一种如权利要求1-6任一所述的用于锂电池的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)按照重量份称取改性石墨烯、碳纳米管、三氧化二铁、钛酸锂和碳酸锰共同投入至搅拌式球磨机中进行机械活化，然后进行干燥并过400目筛，得混合料A，备用；
2)按照重量份称取中间相炭微球、纳米硅和N-甲基吡咯烷酮进行搅拌混合均匀，然后以80W的超声功率进行超声分散处理60min，得混合浆料B；
3)将步骤1)中得到的混合料A加入至步骤2)中得到的混合浆料B中进行混合均匀，然后送入超声波微波组合反应系统中进行处理30min，得混合料C；
4)将步骤3)中得到的混合料C在氮气保护下以750℃的温度进行锻烧6h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，得混合料D；
5)将步骤4)中得到的混合料D在氮气保护下以1280℃的温度进行锻烧10h，冷却至室温后进行研磨成200目的粉末，除磁筛分，即得。
8.根据权利要求7所述的用于锂电池的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的超声波微波组合反应系统的处理条件为：超声波频率为20kHz，超声功率为200W，微波频率为2450MHz，微波功率为200W。
9.一种如权利要求1-6任一所述的用于锂电池的负极材料在制备锂电池产品中的应用。
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