CN111384361B - 一种二维有机钙钛矿锂离子电池电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维有机钙钛矿锂离子电池电极及其制备方法。该锂离子电池电极包含二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料。该制备方法包括:1)称取二维或准二维钙钛矿材料、导电剂和粘结剂;2)继续称取分散剂溶液,将步骤1)称取的固体分散在该溶液中,以方便之后和成膏状物;3)将步骤2)得到的膏状物进行研磨;4)将研磨得到的浆料涂布在金属箔表面,并烘干;5)将烘干后的金属箔进行压片,即可得到所需的电极片,即锂离子电池电极材料。本发明首次将新型的二维或准二维有机钙钛矿材料应用于锂离子电池,从而在锂电池的应用中提供开放性的结构,有助于锂离子的嵌入和脱嵌,能够提高锂离子电池的性能。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域,涉及一种二维有机钙钛矿锂离子电池电极及其制备方法。
背景技术
有机无机钙钛矿材料自发现以来便得到人们的广泛关注,特别是在其应用于太阳能电池后更是发展迅速。光电转换效率已经由3.8%逐步提升,现在已经达到了23.7%。在这种成功的探索之后,研究者们逐步开发出了钙钛矿在其他各个方向上的应用,比如光电探测器、发光二极管、激光器和传感器等。
最近广受人们关注的有机二维钙钛矿材料由于其有机大分子的插入,使得材料呈现出分层的结构,从而极大地提高了有机钙钛矿材料的稳定性。中国专利申请CN106058055A中公布了一种二维层状有机无机复合钙钛矿材料光探测器及制作方法,将二维层状结构有机无机复合钙钛矿系列材料作为光敏层,从而实现对特定波长范围入射光的检测,还可以利用光电流的大小快速得出入射光的强度。而在中国专利申请CN107887510A中公开了一种二维层状钙钛矿薄膜、太阳能电池及其制备方法,采用真空单源热蒸发法制备得到致密、均匀、无针孔、结晶度高、符合理想化学计量比的二维层状钙钛矿薄膜,所制备的二维层状钙钛矿薄膜太阳能电池具有效率高且稳定性高的特点。
锂离子电池由于其重要的储能性,已经广泛应用于人们的生活,比如手机、笔记本电脑等电子设备。如何提高锂电池的储能密度,一直是人们不断探索的方向。
有机无机钙钛矿由于其与LiCoO2类似的拓朴结构,引发了人们的关注。中国专利申请CN107425183A中公开了一种电场调控选择结晶合成钙钛矿锂电池负极材料及其制备方法,该负极材料的组成为Ca0.3La0.3Li0.4Zr0.8Fe0.1Mn0.1O3,探索了这种钙钛矿材料应用于锂电池的可能性,并且表现出了不错的比容量。同时中国专利申请CN108511706A中展示了一种锂电池用二维无机钙钛矿负极材料的制备方法,将无机钙钛矿CsPb2Br5应用于锂电池的负极材料。开展了二维材料在锂电池方面的的应用。
发明内容
本发明首次将新型的(准)二维有机钙钛矿材料应用于锂离子电池电极,由于(准)二维度的有机钙钛矿材料具备优良的结构性能,有助于锂离子的嵌入和脱嵌,从而提高锂离子电池的性能。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种锂离子电池电极,其包含二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料。
进一步地,所述二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料为基于丁胺大分子的二维或准二维有机钙钛矿材料
进一步地,所述二维有机钙钛矿材料为(C4H9NH3)2PbBr4,所述准二维有机钙钛矿材料为(C4H9NH3)2CH3NH3Pb2Br7、(C4H9NH3)2(CH3NH3)2Pb3Br10或(C4H9NH3)2(CH3NH3)3Pb4Br13。
一种利用(准)二维有机钙钛矿材料制备锂离子电池电极材料的方法,包括以下步骤:
1)称取(准)二维钙钛矿材料、导电剂和粘结剂;
2)继续称取分散剂溶液,将步骤1)称取的固体分散在该溶液中,以方便之后和成膏状物;
3)将步骤2)得到的膏状物进行研磨;
4)将研磨得到的浆料涂布在金属箔表面,并烘干;
5)将烘干后的金属箔进行压片,即可得到所需的电极片,即锂离子电池电极材料。
进一步地,步骤1)中,(准)二维钙钛矿材料、导电剂、粘结剂的质量比可以是(60-80):(10-20):(10-20)。比如称取60-80mg(准)二维钙钛矿材料,约10mg导电石墨,约10mg粘结剂。
进一步地,步骤1)中,所述粘结剂优选为聚偏氟乙烯(PVDF);除聚偏氟乙烯外,还可以是聚乙烯醇(PVA)或羧甲基纤维素钠(CMC);所述导电剂优选为导电石墨,此外还可以替换为炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料等。
进一步地,步骤2)中,所述分散剂溶液优选为N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液,其与步骤1)中(准)二维钙钛矿材料的质量比是1/10~4/15。比如当称取60-80mg(准)二维钙钛矿材料,约10mg导电石墨,约10mg粘结剂时,可以称取300-600uL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
进一步地,步骤2)中,除NMP溶液外,还可以是丙酮等。
进一步地,步骤3)将所述膏状物放入研钵中进行研磨搅拌0.5h以上。
进一步地,步骤4)中,所述金属箔优选为铜箔,也可以替换为铝箔等。
进一步地,步骤4)在60-90℃进行烘干,时间大约为3h-8h。
上述将低维钙钛矿材料作为锂电池电极材料方法提供了一种新的钙钛矿材料性能研究的思路,也同时提供了锂离子电池新型的材料。
本发明的有益效果如下:
1)本发明首次将新型的(准)二维有机钙钛矿材料应用于锂离子电池,由于(准)二维度的钙钛矿材料具备优良的结构性能,其二维的层状结构,在一定程度上能够将材料变得更为疏松,从而在锂电池的应用中提供开放性的结构,有助于锂离子的嵌入和脱嵌,在锂离子电池的研究上提供了新型的思路。
2)由于有机钙钛矿的多样性,可以通过调剂组分来获得不同类型的有机钙钛矿,丰富了可选择使用的材料;同时这种材料制备简单,成本较低,在锂电池的应用上具有较好的前景。
3)本发明使用基于丁胺大分子的(准)二维有机钙钛矿材料作为负极材料,可以得到稳定比容量为234mAh/g的性能。
附图说明
图1.二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4对应的XRD衍射结果。
图2.准二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2CH3NH3Pb2Br7对应的XRD衍射结果。
图3.准二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2(CH3NH3)2Pb3Br10对应的XRD衍射结果。
图4.准二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2(CH3NH3)3Pb4Br13对应的XRD衍射结果。
图5.利用二维和准二维有机钙钛矿材料制成的锂电池电极的充放电容量,其中横坐标表示充放电的循环圈数,纵坐标表示锂电池的比容量。
具体实施方式
下面结合附图,通过实例进一步详细说明本发明,但不以任何方式限制本发明。
实验器材:生长得到的(准)二维钙钛矿单晶材料,导电石墨或者其他导电剂粉末,粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF),N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液或乙腈溶液,研钵,涂布机,压片机。
实施例1
1.称取60-80mg二维钙钛矿材料(C4H9NH3)2PbBr4,约10mg导电石墨,10mg粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF);
2.继续称取约300-500uL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液;
3.将所有称量药品放入研钵中进行研磨搅拌0.5h-1h;
4.将研磨浆料涂布在铜箔表面,并在60-90℃进行烘干3h-8h;
5.将烘干后的铜箔进行压片,即可得到含有二维钙钛矿的电极材料。
图1为本实施例的二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4对应的XRD衍射结果。
实施例2
1.称取60-80mg准二维钙钛矿材料(C4H9NH3)2CH3NH3Pb2Br7,约10mg导电石墨,约10mg粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF);
2.继续称取约300-500uL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液;
3.将所有称量药品放入研钵中进行研磨搅拌0.5h-1h;
4.将研磨浆料涂布在铜箔表面,并在60-90℃进行烘干3h-8h;
5.将烘干后的铜箔进行压片,即可得到含有准二维钙钛矿的电极材料。
图2为本实施例的准二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2CH3NH3Pb2Br7对应的XRD衍射结果。
实施例3
1.称取60-80mg准二维钙钛矿材料(C4H9NH3)2(CH3NH3)2Pb3Br10,约10mg导电石墨,约10mg粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF);
2.继续称取约300-500uL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液;
3.将所有称量药品放入研钵中进行研磨搅拌0.5h-1h;
4.将研磨浆料涂布在铜箔表面,并在60-90℃进行烘干3h-8h;
5.将烘干后的铜箔进行压片,即可得到含有准二维钙钛矿的电极材料。
图3为本实施例的准二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2(CH3NH3)2Pb3Br10对应的XRD衍射结果。
实施例4
1.称取60-80mg准二维钙钛矿材料(C4H9NH3)2(CH3NH3)3Pb4Br13,约10mg导电石墨,约10mg粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF);
2.继续称取约300-500uL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液;
3.将所有称量药品放入研钵中进行研磨搅拌0.5h-1h;
4.将研磨浆料涂布在铜箔表面,并在60-90℃进行烘干3h-8h;
5.将烘干后的铜箔进行压片,即可得到含有准二维钙钛矿的电极材料。
图4为本实施例的准二维有机钙钛矿(C4H9NH3)2(CH3NH3)3Pb4Br13对应的XRD衍射结果。
图5为以上实施例中利用二维和准二维有机钙钛矿材料制成的锂电池电极的充放电容量,其中横坐标表示充放电的循环圈数,纵坐标表示锂电池的比容量。可以看出,本发明可以得到稳定比容量最高为234mAh/g的性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (8)
1.一种锂离子电池电极,其特征在于,包含二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料,所述二维有机钙钛矿材料为(C4H9NH3)2PbBr4,所述准二维有机钙钛矿材料为(C4H9NH3)2CH3NH3Pb2Br7、(C4H9NH3)2(CH3NH3)2Pb3Br10或(C4H9NH3)2(CH3NH3)3Pb4Br13。
2.一种利用二维或准二维有机钙钛矿材料制备锂离子电池电极的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)称取二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料、导电剂和粘结剂;所述二维有机钙钛矿材料为(C4H9NH3)2PbBr4,所述准二维有机钙钛矿材料为(C4H9NH3)2CH3NH3Pb2Br7、(C4H9NH3)2(CH3NH3)2Pb3Br10或(C4H9NH3)2(CH3NH3)3Pb4Br13;
2)称取分散剂溶液,将步骤1)称取的固体分散在该溶液中,形成膏状物;
3)对所述膏状物进行研磨;
4)将研磨得到的浆料涂布在金属箔表面,并烘干;
5)将烘干后的金属箔进行压片,得到锂离子电池电极材料。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤1)中二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料、导电剂、粘结剂的质量比是(60-80):(10-20):(10-20)。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇或羧甲基纤维素钠;所述导电剂为导电石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述分散剂溶液为N-甲基吡咯烷酮溶液或丙酮,其与所述二维有机钙钛矿材料或准二维有机钙钛矿材料的质量比是1/10~4/15。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤3)将所述膏状物放入研钵中进行研磨搅拌0.5h以上。
7.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤4)所述金属箔为铜箔或铝箔。
8.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤4)在60-90℃进行烘干,时间为3h-8h。
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