CN111952542A - 一种原位生长碳氧化物复合负极及固态电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位生长碳氧化物复合负极及固态电池制备方法，通过将石墨和碳纳米管浆料按照一定比例和适量的氧化物复合，再与适量有机物搅拌均匀，涂覆到导电基材上，在高温下碳化得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物负极，将原位生长的电极作为负极制作成固态电池，该负极具有高比容量，高导电性能，长寿命的特点，其所制备的固态电池具有较高的功率密度和使用寿命，适合对能量密度和功率密度有一定需求的固态电池性能。

Description

一种原位生长碳氧化物复合负极及固态电池制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体为一种原位生长碳氧化物复合负极及固态电池制备方法。
背景技术
锂电池(Lithium battery)是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池，其负极材料主要是石墨。
由于石墨与电解液相容性差，充电时石墨层容易发生剥落，导致电池的循环稳定性能差，现有技术中包覆技术在石墨表面形成包覆层防止脱落，改善电化学性能，但是仍然存在很多问题。现有技术形成的包覆层较为疏松，稳定性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位生长碳氧化物复合负极及固态电池制备方法，旨在形成稳定密实的包覆层。
本发明是这样实现的：
第一方面，本申请提供一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将90-95重量份的石墨和100-200份的碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入3-20重量份的氧化物进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入有机物，搅拌均匀后得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，使其在惰性气体氛围中碳化得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面；
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到负极基材上，制成负极极片。
进一步，所述碳纳米管浆料中碳纳米管占碳纳米管浆料总重量的5％。
进一步，所述氧化物为二氧化硅、二氧化锡或者二氧化钛中的一种或者多种的组合。
进一步，所述氧化物为二氧化硅和二氧化锡按照重量比2:1组成的组合物。
进一步，所述步骤S3中还包括：在混合物B中加入溶剂，与有机物一起搅拌均匀后放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥2小时。
进一步，所述有机物由葡萄糖或者蔗糖一种或者两种混合而成。
进一步，所述步骤S4中，通入惰性气体后，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时。
进一步，所述负极基材选用铜箔或者镍箔基材。
第二方面，本申请提供一种固态电池的制备方法，包括：在按照第一方面所述的方法制成的负极极片表面涂覆陶瓷/氧化铝、PVDF胶和电解质组成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。
进一步，所述正极极片包括正极基材和涂覆在正极基材表面的正极材料，所述正极材料选用镍、钴、锰和锂组成三元材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请首先通过将石墨与碳纳米管浆料混合，碳纳米管浆料中的碳纳米管一方面与石墨能够形成3D网状碳骨架，另一方面碳纳米管浆料增加了负极导电能力，然后依次与氧化物、有机物混合，在高温下碳化形成得到无定型碳，无定型碳作为连接面与3D网状碳骨架共同形成原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，该碳包覆氧化物结构稳定、密实，提高了固态电池的首次测试效率和充放电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本申请的原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物的结构形态示意图；
图2是本申请的固态电池结构示意图；
图3是本申请的固态电池的充电性能示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
【实施例1】
在该实施例中，按照以下步骤制备负极及固态电池，
步骤S1：取95份的石墨和100份碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；其中，100份碳纳米管浆料中包含5份碳纳米管。
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入8份二氧化硅进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入葡萄糖和适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂进行搅拌混合，放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥，去除液体溶剂，得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时，待烧结碳化，将其取出，得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，如图1所示，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面。
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到铜箔基材上，压制成型制成负极极片。
如图2所示，在该实施例制成的负极极片表面涂覆由2％-12％硫酸钡陶瓷、2-5％PVDF胶和N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶性胶液按照重量比混合成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。其中，硫酸钡陶瓷也可以用氧化铝替换。
通过该实施例制得的固态电池的充放电性能如图3所示，其中电池充放电电流密度为20mA/cm2。
【实施例2】
在该实施例中，按照以下步骤制备负极及固态电池，
步骤S1：取90份的石墨和140份碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；其中，140份碳纳米管浆料中包含7份碳纳米管。
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入15份二氧化锡进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入蔗糖和适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂进行搅拌混合，放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥，去除液体溶剂，得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时，待烧结碳化，将其取出，得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面。
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到镍箔基材上，压制成型制成负极极片。
在该实施例制成的负极极片表面涂覆由2％-12％硫酸钡陶瓷、2-5％PVDF胶和N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶性胶液按照重量比混合成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。
通过该实施例制得的固态电池的充放电性能如图3所示，其中电池充放电电流密度为20mA/cm2。
【实施例3】
在该实施例中，按照以下步骤制备负极及固态电池，
步骤S1：取90份的石墨和140份碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；其中，100份碳纳米管浆料中包含7份碳纳米管。
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入6份二氧化钛进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入葡萄糖和适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂进行搅拌混合，放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥，去除液体溶剂，得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时，待烧结碳化，将其取出，得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面。
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到铜箔基材上，压制成型制成负极极片。
在该实施例制成的负极极片表面涂覆由2％-12％硫酸钡、2-5％PVDF胶和N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶性胶液混合成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。
通过该实施例制得的固态电池的充放电性能如图3所示，其中电池充放电电流密度为20mA/cm2。
【实施例4】
在该实施例中，按照以下步骤制备负极及固态电池，
步骤S1：取92份的石墨和100份碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；其中，100份碳纳米管浆料中包含5份碳纳米管。
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入10份二氧化硅和二氧锡按照2:1混合成的氧化物进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入葡萄糖和适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂进行搅拌混合，放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥，去除液体溶剂，得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时，待烧结碳化，将其取出，得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面。
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到铜箔基材上，压制成型制成负极极片。
在该实施例制成的负极极片表面涂覆由2％-12％硫酸钡、2-5％PVDF胶和N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶性胶液混合成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。
通过该实施例制得的固态电池的充放电性能如图3所示，其中电池充放电电流密度为20mA/cm2。
【实施例5】
在该实施例中，按照以下步骤制备负极及固态电池，
步骤S1：取92份的石墨和100份碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；其中，100份碳纳米管浆料中包含5份碳纳米管。
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入5份二氧化硅和二氧钛按照2:1混合成的氧化物进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入葡萄糖和适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂进行搅拌混合，放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥，去除液体溶剂，得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时，待烧结碳化，将其取出，得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面。
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到铜箔基材上，压制成型制成负极极片。
在该实施例制成的负极极片表面涂覆由2％-12％硫酸钡、2-5％PVDF胶和N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶性胶液混合成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。
通过该实施例制得的固态电池的充放电性能如图3所示，其中电池充放电电流密度为20mA/cm2。
【对比实施例】
该实施例为现有技术制得的负极，将石墨与粘结剂混合均匀涂覆到铜箔或者镍箔基材上，压制成型，获得石墨负极。
将所获得的负极，与硫酸钡陶瓷+PVDF胶+电解质复合材料以及正极极片组成固态电池，正极选用镍钴锰锂三元正极，获得该固态电池首次效率测试为90.4％。
下面给出实施例1-实施例5与对比例的参数对照表：
Figure BDA0002638544190000101
以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将90-95重量份的石墨和100-200份的碳纳米管浆料进行混合得到混合物A；
步骤S2：所述混合物A混合均匀后，加入3-20重量份氧化物进行复合，得到混合物B；
步骤S3：在所述混合物B中加入有机物，搅拌均匀后得到混合物C；
步骤S4：将所述混合物C放入高温烧结炉中，并通入惰性气体，使其在惰性气体氛围中碳化得到原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物，其中，所述3D网状多孔碳包覆氧化物的架构为以石墨为架构点，碳纳米管为骨架，碳化形成的无定型碳为连接面；
步骤S5：将所述原位生长的3D网状多孔碳包覆氧化物与粘结剂混合均匀后，涂覆到负极基材上，制成负极极片。
2.根据权利要求1所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述碳纳米管浆料中碳纳米管占碳纳米管浆料总重量的5％。
3.根据权利要求1所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述氧化物为二氧化硅、二氧化锡或者二氧化钛中的一种或者多种的组合。
4.根据权利要求3所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述氧化物为二氧化硅和二氧化锡按照重量比2:1组成的组合物。
5.根据权利要求1所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括：在混合物B中加入溶剂，与有机物一起搅拌均匀后放入110-130℃温度下的烤箱中烘烤干燥2小时。
6.根据权利要求1所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述有机物由葡萄糖或者蔗糖一种或者两种混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，通入惰性气体后，以5℃/min升温速度升温至450℃保持4-6小时。
8.根据权利要求1所述的一种原位生长碳氧化物复合负极制备方法，其特征在于，所述负极基材选用铜箔或者镍箔基材。
9.一种固态电池的制备方法，其特征在于，包括：在按照权利要求1-8任意所述的方法制成的负极极片表面涂覆陶瓷/氧化铝、PVDF胶和电解质组成的复合材料，再将正极极片压制在复合材料表面得到固态电池。
10.根据权利要求9所述的一种固态电池的制备方法，其特征在于，所述正极极片包括正极基材和涂覆在正极基材表面的正极材料，所述正极材料选用镍、钴、锰和锂组成三元材料。
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