CN110098432B - 一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法及其应用，所述方法包括如下步骤：步骤一、称取聚丙烯腈粉末溶于二甲基甲酰胺中，磁力搅拌，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液；步骤二、将静电纺丝溶液转入注射器内进行静电纺丝；步骤三、将静电纺丝后的固体电解质片取下，烘干后在管式炉煅烧，进行预氧化；步骤四、将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，得到碳纤维包覆固体电解质材料。本发明利用静电纺丝碳材料包覆固态电解质表面，该包覆层与固体电解质接触紧密，可抑制阻碍与正极之间的元素扩散和副反应的发生，同时还可以显著提高正极材料与电解质的接触面积，降低界面接触电阻，降低极化，提升放电性能。

Description

一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于全固态锂电池技术领域，涉及一种全固态锂电池正极界面修饰方法及其应用，具体涉及一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法及其应用。
背景技术
进入21世纪以来，由于传统的能源利用方式所带来的能源危机、环境污染、温室效应等问题日益突出，改善能源结构、开发清洁高效可持续发展的新能源建设低碳社会成为当务之急。锂离子电池作为一种新型高效绿色电池备受关注，锂离子电池由于其安全、环保、无记忆效应，高比能量和良好的电化学性能等优越的性能受到了人们的青睐。但是，商业化锂离子电池通常以有液态有机溶剂作为电解质，由于液体电解质与电极材料、封装材料之间缓慢地相互作用和反应，长期放置或者使用后溶剂容易挥发、泄露，电极材料容易被腐蚀，影响电池寿命。近年来，大容量锂离子电池在电动汽车、飞机辅助电源方面的安全事故时有发生，这些问题的起因与锂离子电池中采用可燃的有机溶剂有关。
近年来，由于在能量密度和安全等方面提升的巨大潜力，全固态锂二次电池格外受人关注。以无机固体电解质替代有机液体电解液的全固态锂电池，在解决传统锂离子电池安全性问题的同时，有望进一步提升电池的能量密度和循环寿命，符合未来大容量锂二次电池发展的方向。不同于传统的商用二次锂离子电池，固态锂二次电池采用固体电解质，其中的关键问题是电解质与电极之间以及电极内部颗粒间固固界面问题，由于严重的界面效应以及界面处的元素扩散问题，导致界面阻抗大大增加，严重影响了全固态电池的性能。所以降低固态电池的界面接触阻抗是提升全固态锂电池放电性能的关键。现阶段，研究工作者多采用对正极材料进行表面包覆的方法来阻碍电极材料和电解质之间的元素扩散，抑制空间电荷层的形成，其中包覆材料一般为金属氧化物、金属氟化物以及磷酸盐等物质。包覆后的正极材料与固态电解质之间的界面电阻得到明显改善，全固态锂离子电池的放电性能与能量密度得到提升。但是研究人员关注的重点主要是如何抑制空间电荷层的形成以及阻碍元素扩散，而很少有人去考虑正极材料与固态电解质之间固-固接触不良的问题，如果能改善界面接触问题，可以显著降低界面电阻，提升全固态电池的循环性能。
发明内容
本发明针对现有固态电池正极界面接触不良，界面电阻过高的问题，本发明提供了一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法及其应用。本发明利用静电纺丝碳材料包覆固态电解质表面，该包覆层与固体电解质接触紧密，可抑制阻碍与正极之间的元素扩散和副反应的发生，同时还可以显著提高正极材料与电解质的接触面积，降低界面接触电阻，降低极化，提升放电性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、称取2~5g聚丙烯腈粉末（PAN）溶于50~100mL二甲基甲酰胺（DMF）中，60~90℃下磁力搅拌6~10h，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液，得到静电纺丝溶液；
步骤二、将20mL静电纺丝溶液转入20mL注射器内，注射器配有12号不锈钢针头，然后将注射器置于静电纺丝设备的推注架上，以铝箔为接收板，将固态电解质片固定在铝箔上，针头与接收板的距离设置为10~20cm，正高压置于针头上，负高压置于接收板上，正高压设置为10~20kV，负高压设置为1~3kV，开始进行静电纺丝，推进速度为1~3mL/h；
本步骤中，所述固体电解质为石榴石型、钙钛矿型、NASICON型、硫化物型中的一种；
步骤三、将静电纺丝后的固体电解质片取下，置于80~120℃干燥箱内6~8h，烘干后的固体电解质片在管式炉煅烧，进行预氧化，烧结程序为250~280℃保温2~4h，升温速率为1~2℃/min，同时用空气压缩机向管式炉中通入空气，直至预氧化结束；
步骤四、将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，碳化过程的升温程序为600~900℃保温3h，升温速率为5℃/min，整个碳化过程在氩气保护下进行，得到碳纤维包覆固体电解质材料，碳纤维包覆厚度为10~100nm。
上述方法制备得到的碳纤维包覆固体电解质材料可应用于全固态电池中。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、碳纤维修饰层与固体电解质接触紧密，修饰后可显著提升正极材料与固体电解质之间的接触面积，降低接触电阻；
2、修饰层可有效抑制正极材料与电解质之间的元素扩散。
附图说明
图1为实施例1中碳纤维修饰前后电解质的SEM图片，（a）修饰前电解质SEM图片，（b）修饰后SEM图片；
图2为实施例1制备的碳纤维修饰前后的全固态电池的循环放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
本实施例按照以下步骤制备碳纤维包覆固体电解质材料：
（1）配置静电纺丝溶液：称取2g聚丙烯腈粉末（PAN）溶于50mL二甲基甲酰胺（DMF）中，80℃下磁力搅拌6h，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液。
（2）将20mL上述纺丝溶液转入20mL注射器内，注射器配有12号不锈钢针头，然后将置于静电纺丝设备的推注架上，以铝箔为接收板，将石榴石型固态电解质片固定在铝箔上，针头与接收板的距离设置为10cm，正高压置于针头上，负高压置于接收板上，正高压设置为10kV，负高压设置为1kV，开始进行静电纺丝，推进速度为1mL/h。
（3）将静电纺丝后的电解质片取下，置于120℃干燥箱内6h，烘干后的固体电解质片在管式炉煅烧，进行预氧化，烧结程序为270℃保温2h，升温速率为1℃/min，同时用空气压缩机向管式炉中通入空气，直至预氧化结束。
（4）将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，碳化过程的升温程序为700℃保温3h，升温速率为5℃/min，整个碳化过程在氩气保护下进行。
图1修饰前后的石榴石固态电解质的SEM图片，从图中可以看出通过静电纺丝法成功在石榴石固态电解质表面包覆一层碳纤维。
图2为全电池恒流充放电曲线，从图中可以看到修饰后电池的放电比容量得到明显提升，说明碳纤维修饰可以改善固态电解质与正极间的界面接触。
实施例2
本实施例按照以下步骤制备碳纤维包覆固体电解质材料：
（1）配置静电纺丝溶液：称取3g聚丙烯腈粉末（PAN）溶于50mL二甲基甲酰胺（DMF）中，80℃下磁力搅拌6h，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液。
（2）将20mL上述纺丝溶液转入20mL注射器内，注射器配有12号不锈钢针头，然后将置于静电纺丝设备的推注架上，以铝箔为接收板，将石榴石型固态电解质片固定在铝箔上，针头与接收板的距离设置为10cm，正高压置于针头上，负高压置于接收板上，正高压设置为10kV，负高压设置为1kV，开始进行静电纺丝，推进速度为1mL/h。
（3）将静电纺丝后的电解质片取下，置于80℃干燥箱内6h，烘干后的固体电解质片在管式炉煅烧，进行预氧化，烧结程序为270℃保温2h，升温速率为1℃/min，同时用空气压缩机向管式炉中通入空气，直至预氧化结束。
（4）将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，碳化过程的升温程序为800℃保温3h，升温速率为5℃/min，整个碳化过程在氩气保护下进行。
实施例3
本实施例按照以下步骤制备碳纤维包覆固体电解质材料：
（1）配置静电纺丝溶液：称取2g聚丙烯腈粉末（PAN）溶于50mL二甲基甲酰胺（DMF）中，80℃下磁力搅拌6h，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液。
（2）将20mL上述纺丝溶液转入20mL注射器内，注射器配有12号不锈钢针头，然后将置于静电纺丝设备的推注架上，以铝箔为接收板，将石榴石型固态电解质片固定在铝箔上，针头与接收板的距离设置为10cm，正高压置于针头上，负高压置于接收板上，正高压设置为10kV，负高压设置为1kV，开始进行静电纺丝，推进速度为1mL/h。
（3）将静电纺丝后的电解质片取下，置于100℃干燥箱内6h，烘干后的固体电解质片在管式炉煅烧，进行预氧化，烧结程序为270℃保温2h，升温速率为1℃/min，同时用空气压缩机向管式炉中通入空气，直至预氧化结束。
（4）将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，碳化过程的升温程序为900℃保温3h，升温速率为5℃/min，整个碳化过程在氩气保护下进行。
实施例4
本实施例按照以下步骤制备碳纤维包覆固体电解质材料：
（1）配置静电纺丝溶液：称取2g聚丙烯腈粉末（PAN）溶于50mL二甲基甲酰胺（DMF）中，80℃下磁力搅拌6h，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液。
（2）将20mL上述纺丝溶液转入20mL注射器内，注射器配有12号不锈钢针头，然后将置于静电纺丝设备的推注架上，以铝箔为接收板，将石榴石型固态电解质片固定在铝箔上，针头与接收板的距离设置为20cm，正高压置于针头上，负高压置于接收板上，正高压设置为15kV，负高压设置为1kV，开始进行静电纺丝，推进速度为1mL/h。
（3）将静电纺丝后的电解质片取下，置于100℃干燥箱内6h，烘干后的固体电解质片在管式炉煅烧，进行预氧化，烧结程序为270℃保温2h，升温速率为1℃/min，同时用空气压缩机向管式炉中通入空气，直至预氧化结束。
（4）将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，碳化过程的升温程序为700℃保温3h，升温速率为5℃/min，整个碳化过程在氩气保护下进行。
实施例5
电池的制备及性能测试：以上述实施例1、2、3、4中制备的修饰后的固体电解质作为电解质，以LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2为正极活性物质，NMP为溶剂和成浆料，涂覆在固体电解质表面，涂覆银浆作为集流体，金属锂片为负极，在手套箱中装配成全电池。采用Neware 池测试系统进行恒流充放电测试，充放电电压范围为 2.8 ~4.3 V。

Claims (6)

1.一种碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、称取2~5g聚丙烯腈粉末溶于50~100mL二甲基甲酰胺中，磁力搅拌，直至溶液变为透明粘稠且均匀的溶液，得到静电纺丝溶液；
步骤二、将20mL静电纺丝溶液转入20mL注射器内，然后将注射器置于静电纺丝设备的推注架上，以铝箔为接收板，将固态电解质片固定在铝箔上，正高压置于针头上，负高压置于接收板上，正高压设置为10~20kV，负高压设置为1~3kV，静电纺丝推进速度为1~3mL/h，开始进行静电纺丝；
步骤三、将静电纺丝后的固体电解质片取下，烘干后在管式炉煅烧，进行预氧化，所述预氧化的烧结程序为250~280℃保温2~4h，升温速率为1~2℃/min，同时用空气压缩机向管式炉中通入空气，直至预氧化结束；
步骤四、将预氧化的材料在氩气气氛下进行碳化，得到碳纤维包覆固体电解质材料，所述碳化过程的升温程序为600~900℃保温3h，升温速率为5℃/min，碳纤维包覆厚度为10~100nm。
2.根据权利要求1所述的碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法，其特征在于所述磁力搅拌温度为80℃，磁力搅拌时间为6~10h。
3.根据权利要求1所述的碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法，其特征在于所述注射器配有12号不锈钢针头，针头与接收板的距离设置为10~20cm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法，其特征在于所述烘干温度为80~120℃，时间为6~8h。
5.根据权利要求1所述的碳纤维包覆固体电解质材料的制备方法，其特征在于所述固体电解质为石榴石型、钙钛矿型、NASICON型、硫化物型中的一种。
6.权利要求1-5任一权利要求所述方法制备得到的碳纤维包覆固体电解质材料在全固态电池中的应用。
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