CN110444738A - 一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法 - Google Patents

一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110444738A
CN110444738A CN201910779639.7A CN201910779639A CN110444738A CN 110444738 A CN110444738 A CN 110444738A CN 201910779639 A CN201910779639 A CN 201910779639A CN 110444738 A CN110444738 A CN 110444738A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stibnite
negative pole
lithium ion
composite negative
ion battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910779639.7A
Other languages
English (en)
Inventor
刘芳洋
赖延清
蒋良兴
贾明
李劼
刘业翔
汪齐
刘宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201910779639.7A priority Critical patent/CN110444738A/zh
Publication of CN110444738A publication Critical patent/CN110444738A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1397Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • H01M4/5815Sulfides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,该方法采用熔融复合法,通过将辉锑矿与微孔活性炭混合熔融,使辉锑矿被活性炭吸附,从而制备得到粒径仅有2‑10nm的超细硫化锑‑碳复合负极。该微孔碳吸附辉锑矿复合负极能够极大地提升硫化锑的电子导电性、缓解体积膨胀,具有优良的循环稳定性和倍率性能。同时,本发明以商用天然辉锑矿为原料,通过低温短时熔融法制备材料,流程短、成本低、无污染,有较大的应用前景。

Description

一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,具体涉及一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法。
背景技术
作为便携式电子设备最成功的能量储存和供应系统,锂离子电池目前正在拓展其在电动/混动汽车和大规模电网储能领域的应用。由此产生的市场需求和潜在的收效激发了对具有比容量高、循环稳定耐用、倍率性能优良的高性能储能电极材料的研究,以取代目前商业上成功的石墨负极(372mAh g-1)材料。
在众多新型可替代负极中,金属硫化物由于其独一无二的物理和化学性质(数倍于石墨负极的理论比容量、机械和热力学稳定性等)得到了研究人员的广泛关注。作为其中的一种,硫化锑(Sb2S3)被认为是锂离子电池中最具应用潜力的负极材料之一。其理论比容量高,易于制备,储量丰富。然而,在嵌锂/脱锂过程中,硫化锑颗粒伴随严重的体积变化,破坏电极结构,进一步致使循环状态恶化。同时,在大颗粒硫化锑中,锂离子扩散动力学受限,大颗粒与电解液的接触面积有限,导致其容量不足以完全发挥。
为了解决上述问题,研究人员做了许多工作。合成纳米结构硫化锑是一种重要的改性手段,纳米结构能够缩短锂离子的扩散路径,增加电极和电解液的接触面积,并且容纳嵌锂过程中的机械应力。另一种重要的提升导电性、缓解体积效应的方法是将活性材料分散到高导电基体中,制备复合负极材料。
Yucheng Dong等(Nanoscale,2018,10,3159)通过水热法制备出Sb2S3 nanorods附着于石墨烯纳米片的新型复合负极,该负极表现出了良好循环稳定性。
Peng Ge等(Materials Chemistry and Physics,203,2018,185-192)通过水热法制备出碳包覆的Sb2S3空心球应用于钠离子电池负极,可稳定循环100圈。
Jianjun Xie等(Nano-Micro Lett.2018,10:12)通过水热法制备出Sb2S3空心微米球负极,并探究了其在锂离子电池和钠离子电池中的电化学特性。
尽管上述工作都改善了硫化锑材料地导电性、缓解了体积效应,但其制备方法都为水热等溶液法,避免不了废水、重金属离子的产生。同时其使用的碳质基体(石墨烯、氧化石墨烯、氧化还原石墨烯)价格偏高,不利于调控成本。都是水热法所用试剂为高纯商业试剂,加上其冶金提纯过程,成本进一步升高。
发明内容
本发明的目的是解决现有锂离子电池硫化锑负极导电性差、嵌锂体积变化严重,及其现有制备方法成本高、流程长的缺点,提出一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法。
为达到上述目的,本发明提出的一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,包括以下步骤:
将预设质量的微孔活性炭、辉锑矿混合并干燥后加热到辉锑矿熔点以上使其熔融,在微孔的毛细吸附作用下熔融辉锑矿进入微孔中,并在冷却后维持填充于微孔活性炭中,其中,微孔活性炭的孔径为2-10nm,且比表面积在1000-1700m2/mg。
优选地,辉锑矿、微孔活性炭混合的质量比为80:20-20:80。
优选地,辉锑矿的纯度在wt.90%以上。
优选地,辉锑矿、微孔活性炭的混合方法为球磨、研磨或溶液搅拌。
优选地,球磨和研磨过程包括干磨和湿磨,干磨介质包括空气或氩气,湿磨和溶液搅拌介质包括水或酒精。
优选地,采用球磨混合时,球料比为10:1-20:1,转速为300-1200r/min,球磨时间为0.5-10h。
优选地,辉锑矿熔融环境为惰性气氛。
优选地,混合料按升温速率1-20℃/min升温至550-700℃,保温时间为0.5-10h。
由于上述技术方案的使用,本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
(1)以微孔活性炭为导电基体,使硫化锑导电性改善的同时,制备超细纳米颗粒成为可能。本发明中,硫化锑颗粒粒径最小可达2nm,在该纳米尺度下,锂离子、电子的嵌锂路径极大缩短,锂离子嵌入产生的应力得到有效释放,复合负极结构能够有效维持。同时,可以通过调整辉锑矿、活性炭复合比例,以及对熔融温度、时间的调控,制备出不同微孔硫化锑填充率的复合负极,为硫化锑的体积膨胀提供容纳空间。由上述优点共同作用下,微孔碳吸附辉锑矿复合负极具有优良的结构稳定性,循环寿命、倍率性能都得到显著提升。
(2)以天然辉锑矿为原料、微孔活性炭为原料,熔融法制备复合负极,去除了原料提纯的冶金过程和水热废水处理过程,整体工艺简单,在兼顾高性能的同时降低材料的制备成本,具有突出的价格优势,因此非常适合产业化推广应用。
附图说明
图1为微孔碳吸附辉锑矿复合负极的扫描电镜、EDX图;
图2为微孔碳吸附辉锑矿复合负极在0.01-3V电压区间、2Ag-1电流密度下前三圈的电压-比容量曲线;
图3为微孔碳吸附辉锑矿复合负极的循环性能图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例,对本发明作进一步详细的说明,但本发明不限于以下实施例。
实施例1
按质量比60:40称取辉锑矿、微孔活性炭加入到球磨罐中,按球料比20:1加入球磨珠,设置球磨转速为500r/min,球磨时间为2h,球磨介质为空气,球磨结束后将得到的混合料干燥、研磨。
在氩气气氛中,将上述球磨混合料按升温速率5℃/min升温至600℃,并保温10h。在熔融过程中,辉锑矿被活性炭微孔吸附,进入空洞中。自然冷却后,辉锑矿填充于活性炭微孔中形成碳包覆的粒径为2-4nm的颗粒。
将上述制备得到的微孔碳吸附辉锑矿复合负极为工作电极,金属锂箔为对电极和参比电极,电解液为1M LiPF6+EC/DEC/DMC(1:1:1,v/v/v),组装成扣式电池,进行电化学性能测试。
图1为本发明制备的微孔碳吸附辉锑矿复合负极的扫描电镜、元素分布及含量图,可以看到元素Sb、S随C均匀分布,说明微孔活性炭对辉锑矿具有较好的吸附性能。图2为微孔碳吸附辉锑矿复合负极在电压区间0.01-3V、电流密度2Ag-1下的的电压-比容量曲线,在大电流下,该材料仍具有良好的平台稳定性,第二圈及第三圈充放电曲线几乎重合,表现了良好可逆性。其相应的循环性能如图3所示,在0.01-3V的电压区间和2Ag-1的电流密度下,首圈充电比容量达到497.3mAhg-1,循环100圈后,充电比容量达到371.6mAhg-1,库伦效率维持在99.26%,具有远高于石墨负极的倍率性能。
实施例2
按质量比80:20称取辉锑矿、微孔活性炭加入到球磨罐中,按球料比15:1加入球磨珠,设置球磨转速为800r/min,球磨时间为1h,球磨介质为酒精,球磨结束后将得到的混合料干燥、研磨。
在氩气气氛中,将上述球磨混合料按升温速率1℃/min升温至580℃,并保温10h。在熔融过程中,辉锑矿被活性炭微孔吸附,进入空洞中。自然冷却后,辉锑矿填充于活性炭微孔中形成碳包覆的颗粒。
实施例3
按质量比80:20称取辉锑矿、微孔活性炭,加入水进行搅拌,搅拌转速为500r/min,搅拌2h后过滤干燥,得到混合料。
在氩气气氛中,将上述混合料按升温速率10℃/min升温至680℃,并保温5h。在熔融过程中,辉锑矿被活性炭微孔吸附,进入空洞中。自然冷却后,辉锑矿填充于活性炭微孔中形成碳包覆的颗粒。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,包括以下步骤:
将预设质量的微孔活性炭、辉锑矿混合并干燥后加热到辉锑矿熔点以上使其熔融,在微孔的毛细吸附作用下熔融辉锑矿进入微孔中,并在冷却后维持填充于微孔活性炭中,其中,微孔活性炭的孔径为2-10nm,且比表面积在1000-1700m2/mg。
2.根据权利要求1所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,辉锑矿、微孔活性炭混合的质量比为80:20-20:80。
3.根据权利要求1所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,辉锑矿的纯度在wt.90%以上。
4.根据权利要求1所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,辉锑矿、微孔活性炭的混合方法为球磨、研磨或溶液搅拌。
5.根据权利要求4所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,球磨和研磨过程包括干磨和湿磨,干磨介质包括空气或氩气,湿磨和溶液搅拌介质包括水或酒精。
6.根据权利要求5所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,采用球磨混合时,球料比为10:1-20:1,转速为300-1200r/min,球磨时间为0.5-10h。
7.根据权利要求1所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,辉锑矿熔融环境为惰性气氛。
8.根据权利要求7所述的制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法,其特征在于,混合料按升温速率1-20℃/min升温至550-700℃,保温时间为0.5-10h。
CN201910779639.7A 2019-08-22 2019-08-22 一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法 Pending CN110444738A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910779639.7A CN110444738A (zh) 2019-08-22 2019-08-22 一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910779639.7A CN110444738A (zh) 2019-08-22 2019-08-22 一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110444738A true CN110444738A (zh) 2019-11-12

Family

ID=68437226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910779639.7A Pending CN110444738A (zh) 2019-08-22 2019-08-22 一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110444738A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112072088A (zh) * 2020-08-26 2020-12-11 西安建筑科技大学 纳米掺氮辉锑矿复合材料、其制备方法及应用
CN112072107A (zh) * 2020-08-28 2020-12-11 中南大学 一种硫化锑基复合材料及其制备方法和应用
CN113666426A (zh) * 2020-05-15 2021-11-19 中南大学 一种天然硫化矿基碳复合材料及其制备方法和应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104766957A (zh) * 2014-01-02 2015-07-08 奇瑞汽车股份有限公司 一种锂硫电池正极材料及其制备方法、锂硫电池
CN105720251A (zh) * 2015-12-20 2016-06-29 华南理工大学 一种钠离子电池硫化锑基复合材料及其制备方法
CN107331842A (zh) * 2017-06-30 2017-11-07 华南理工大学 一种具有高可逆容量的硫化锑基负极材料及其制备与应用

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104766957A (zh) * 2014-01-02 2015-07-08 奇瑞汽车股份有限公司 一种锂硫电池正极材料及其制备方法、锂硫电池
CN105720251A (zh) * 2015-12-20 2016-06-29 华南理工大学 一种钠离子电池硫化锑基复合材料及其制备方法
CN107331842A (zh) * 2017-06-30 2017-11-07 华南理工大学 一种具有高可逆容量的硫化锑基负极材料及其制备与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEI LUO,ET AL: ""Imbedding ultrafine Sb2S3 nanoparticles in mesoporous carbon sphere for high-performance lithium-ion battery"", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113666426A (zh) * 2020-05-15 2021-11-19 中南大学 一种天然硫化矿基碳复合材料及其制备方法和应用
CN112072088A (zh) * 2020-08-26 2020-12-11 西安建筑科技大学 纳米掺氮辉锑矿复合材料、其制备方法及应用
CN112072088B (zh) * 2020-08-26 2022-03-29 西安建筑科技大学 纳米掺氮辉锑矿复合材料、其制备方法及应用
CN112072107A (zh) * 2020-08-28 2020-12-11 中南大学 一种硫化锑基复合材料及其制备方法和应用
CN112072107B (zh) * 2020-08-28 2022-07-05 中南大学 一种硫化锑基复合材料及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106784707B (zh) 一种纳米硅-碳复合锂离子电池负极材料的制备方法
CN110556529B (zh) 具有多层核壳结构的负极复合材料及其制备方法和应用
Dai et al. Uniform α-Ni (OH) 2 hollow spheres constructed from ultrathin nanosheets as efficient polysulfide mediator for long-term lithium-sulfur batteries
Ngo et al. Mass-scalable synthesis of 3D porous germanium–carbon composite particles as an ultra-high rate anode for lithium ion batteries
CN100565980C (zh) 一种锂离子电池复合负极材料及其制备方法
CN110444738A (zh) 一种制备锂离子电池微孔碳吸附辉锑矿复合负极的方法
CN110474049B (zh) 一种锂离子电池硫化锑纳米棒负极的制备方法
CN106450246A (zh) 一种锂离子电池用多孔硅‑碳复合材料及其制备方法
CN106129384A (zh) 一种二氧化锰纳米片包覆的碳/硫的复合物、制备方法及其应用
CN107305941B (zh) 锂-碳复合材料、其制备方法与应用以及锂补偿方法
CN109037636A (zh) 一种SiO/碳/石墨复合负极材料的制备方法
CN102832379A (zh) 一种锂硫电池用正极材料的制备方法
CN104303339B (zh) 二次电池的阳极材料及其制备方法
Lin et al. Chalcogen-doped red phosphorus nanoparticles@ porous carbon as high-rate and ultrastable anode for lithium-ion batteries
CN104617278A (zh) 一种纳米硅金属复合材料及其制备方法
CN109301209B (zh) 一种二氧化钛改性磷/碳复合负极材料的制备方法
CN103346304A (zh) 一种用于锂二次电池负极的锡碳复合材料及其制备方法
CN109309243A (zh) 锂合金-骨架碳复合材料及其制备方法、负极和锂电池
CN102983317A (zh) 硅基复合材料及其制备方法、硅碳复合材料、锂离子电池
CN105390683A (zh) 一种锂离子电池硫基负极材料及其应用
CN106898746A (zh) 以夏威夷果壳为原料制备多级孔结构纳米碳/硫复合材料及在锂硫电池中的应用
CN102263245A (zh) 球形多孔锂离子电池复合负极材料的制备方法
CN110492074B (zh) 一种制备锂离子电池碳纤维/硫化锑复合负极的方法
CN104779379A (zh) 一种锂二次电池用新型硫碳复合材料及其制备方法
CN102867945A (zh) 含有中空碳纳米结构的锂离子电池石墨负极材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191112

RJ01 Rejection of invention patent application after publication