CN113725437B - 一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法,属于电池材料合成技术制备领域,所述制备方法是在氯化锰材料管式炉惰性气体下热处理除水,再将石墨与氯化锰研磨处理,在管式炉惰性氛围下熔盐法热处理,得到一种氯化锰包覆石墨表面的掺杂石墨材料。本发明使用的材料极为普遍,工业成本价格低廉,对环境污染程度小,以低成本的方法制备了高倍率包覆石墨材料,具有很高的经济性和可行性。本发明采用不同比例氯化锰熔融法包覆渗透石墨表面,构建快速通电网络,增大了比容量、倍率性能与循环性能。此方法低成本,操作简单,条件温和,环境污染小,适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于负极材料制备技术领域,具体涉及一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展与进步,社会对于锂离子电池的要求越来越高,目前为了响应国家号召,加大对新能源领域的投入,目前在锂离子电池的方方面面的创新一直在继续。石墨负极作为最常见的负极材料,一直面临着理论容量小(372mAh/g),循环性能差,倍率性能差的问题。当前存在金属氯化物插层形成石墨GIC的方法,能有效地提升石墨材料的倍率性能,可是存在着反应条件苛刻,难以工业化,操作复杂的现象,所以需要一种既利用天然石墨材料,又体现氯化物导电性能的材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有负极材料性能差、制备反应条件苛刻等问题,提供一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料,所述负极为:用氯化锰材料作为包覆物,包覆石墨材料,构建导电网络,形成高倍率锂离子电池负极材料。
一种上述的氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,所述方法为:选用不同粒径的石墨为原料,先预处理氯化锰材料制备得到无水氯化锰材料,然后与石墨混合研磨,再管式炉热处理即可。
进一步地,所述方法步骤为:
(1)将氯化锰置于方舟中,在管式炉惰性氛围下进行脱水处理,将无水氯化锰取出放入研钵中研磨成粉;
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,和石墨原料混合再一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在惰性气体氛围下的管式炉中加热处理,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极。
本发明相对于现有技术的有益效果为:
本发明使用的材料极为普遍,工业成本价格低廉,对环境污染程度小,以低成本的方法制备了高倍率包覆石墨材料,具有很高的经济性和可行性。本发明采用不同比例氯化锰熔融法包覆渗透石墨表面,构建快速通电网络,增大了比容量、倍率性能与循环性能。此方法低成本,操作简单,条件温和,环境污染小,适合工业化生产。
本发明选取不同类型的石墨,先采用管式炉处理氯化锰除去其结合水,然后按比例混合氯化锰和石墨,在管式炉高温熔融状态下包覆处理,能有效地将氯化锰包覆在石墨表面,控制温度,从而控制氯化锰的包覆程度,不改变石墨本身的形态,通过这种方式能有效依托石墨为载体发挥氯化锰的导电性能与容量,只通过氯化锰包覆从而增加比容量、倍率性能和循环性能,最终得到一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极;与现有的只存在实验室阶段的金属氯化物CIG相比,不需要真空的反应条件和过长的反应时间。对环境污染小,反应条件温和,反应试剂普遍,工业成本价格低廉,更具有工业化价值。
附图说明
图1是本发明制备的负极材料实施例1的低倍SEM图。
图2是本发明制备的负极材料实施例1的高倍SEM图。
图3是本发明制备的负极材料实施例1的与对应原料对比首次充放电图。
图4是本发明制备的负极材料实施例1的与对应原料对比的倍率性能图。
图5是本发明制备的负极材料实施例1的与对应原料对比的长循环性能图。
具体实施方式
下面结合附图和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。
具体实施方式一:本实施方式记载的是一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料,所述负极为:用氯化锰材料作为包覆物,包覆石墨材料,构建导电网络,形成高倍率锂离子电池负极材料。
具体实施方式二:一种具体实施方式一所述的氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,所述方法为:选用不同粒径的石墨为原料,先预处理氯化锰材料制备得到无水氯化锰材料,然后与石墨混合研磨,再管式炉热处理即可。
具体实施方式三:具体实施方式二所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,所述方法步骤为:
(1)将氯化锰置于方舟中,在管式炉惰性氛围下进行脱水处理,将无水氯化锰取出放入研钵中研磨成粉;
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,和石墨原料混合再一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在惰性气体氛围下的管式炉中加热处理,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极。
具体实施方式四:具体实施方式三所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,步骤(1)中,所述氯化锰为四水合氯化锰、二水合氯化锰、一水合氯化锰和无水氯化锰中的一种或几种。
具体实施方式五:具体实施方式三所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,步骤(1)中,所述管式炉的反应温度为200~210℃,反应时间为2~6h。
具体实施方式六:具体实施方式三所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,步骤(2)中,所述石墨为不同粒径的天然石墨、天然球形石墨、微膨石墨中的一种或几种。
具体实施方式七:具体实施方式三所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,步骤(2)中,所述氯化锰与石墨的质量比为0.3~3:1。低质量比有利于负极材料循环过程稳定性,高质量比有利于低倍率下的高容量性能。
具体实施方式八:具体实施方式三所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,步骤(2)中,所述管式炉中加热处理的温度为670~900℃,升温速率为1~10℃/min,保温时间为2~24h。本材料的热处理温度需要达到氯化锰的熔点650℃以上,采用氯化物熔融的方法处理包覆石墨。比起直接研磨掺杂和液相掺杂,不会出现氧化物在表面,包覆的更加均匀稳定。
具体实施方式九:具体实施方式三所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,步骤(2)中,所述惰性气体氛围为氮气、氩气或真空氛围中的一种。
实施例1:
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,包括有以下步骤:
(1)将适量四水氯化锰材料置于方舟中,在管式炉氩气氛围下进行脱水处理,反应温度控制为200℃,反应时间为2h,然后降温后取出,放入研钵研磨成粉备用。
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,按质量比1.3:3和粒径为D50=10μm的石墨原料混合一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在氩气气体氛围下的管式炉中670℃加热处理4h,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨电池负极。
最后的材料其形貌如图1所示,将制备好的氯化锰包覆石墨电池负极与PVDF,super P以8:1:1的比例混合,加入NMP调节黏度,然后涂覆在铜箔上,置于真空干燥箱中120℃烘干10h,再将极片取出,裁成圆片,用锂片作负极制成CR2026扣式电池进行测试。采用新威测试系统进行测试,如图2所示在0.05A/g的首次充放电中库伦效率达到78.35%,如图3所示在0.1A/g、0.3A/g、0.5A/g、0.8A/g、1A/g、2A/g的充电容量分别为578.36mAh/g、480.52mAh/g、379.27mAh/g、285.51mAh/g、214.93mAh/g、90.08mAh/g。如图4所示0.1A、g下长循环性能也有明显提升。
实施例2:
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,包括有以下步骤:
(1)将适量商用无水氯化锰材料置于方舟中,在管式炉氩气氛围下进行再脱水处理,反应温度控制为200℃,反应时间为2h,然后降温后取出,放入研钵研磨成粉备用。
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,按质量比1.25:3和粒径为D50=10μm的石墨原料混合一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在氩气气体氛围下的管式炉中870℃加热处理4h,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨电池负极。
将制备好的氯化锰包覆石墨电池负极与PVDF,super P以8:1:1的比例混合,加入NMP调节黏度,然后涂覆在铜箔上,置于真空干燥箱中120℃烘干10h,再将极片取出,裁成圆片,用锂片作负极制成CR2026扣式电池进行测试。采用新威测试系统进行测试,在0.1A/g、0.3A/g、0.5A/g、0.8A/g、1A/g、2A/g的充电容量分别为450.96mAh/g、365.45mAh/g、288.57mAh/g、195.54mAh/g、166.41mAh/g、101.67mAh/g。
实施例3:
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,包括有以下步骤:
(1)将适量四水氯化锰材料置于方舟中,在管式炉氩气氛围下进行脱水处理,反应温度控制为200℃,反应时间为2h,然后降温后取出,放入研钵研磨成粉备用。
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,按质量比2.62:1和粒径为D50=10μm的石墨原料混合一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在氩气气体氛围下的管式炉中670℃加热处理4h,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨电池负极。
将制备好的氯化锰包覆石墨电池负极与PVDF,super P以8:1:1的比例混合,加入NMP调节黏度,然后涂覆在铜箔上,置于真空干燥箱中120℃烘干10h,再将极片取出,裁成圆片,用锂片作负极制成CR2026扣式电池进行测试。采用新威测试系统进行测试,在0.1A/g、0.3A/g、0.5A/g、0.8A/g、1A/g、2A/g的充电容量分别为643.05mAh/g、486.91mAh/g、319.87mAh/g、177.64mAh/g、109.99mAh/g、26.66mAh/g。
实施例4:
一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,包括有以下步骤:
(1)将适量四水氯化锰材料置于方舟中,在管式炉氩气氛围下进行脱水处理,反应温度控制为200℃,反应时间为2h,然后降温后取出,放入研钵研磨成粉备用。
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,按质量比1.3:3和粒径为D50=10μm的石墨原料混合一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在真空氛围下的管式炉中670℃加热处理12h,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨电池负极。
将制备好的氯化锰包覆石墨电池负极与PVDF,super P以8:1:1的比例混合,加入NMP调节黏度,然后涂覆在铜箔上,置于真空干燥箱中120℃烘干10h,再将极片取出,裁成圆片,用锂片作负极制成CR2026扣式电池进行测试。采用新威测试系统进行测试,在0.1A/g、0.3A/g、0.5A/g、0.8A/g、1A/g、2A/g的充电容量分别为447.53mAh/g、359.81mAh/g、208.30mAh/g、163.40mAh/g、160.87mAh/g、112.84mAh/g。
Claims (4)
1.一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:所述负极为:用氯化锰材料作为包覆物,包覆石墨材料,构建导电网络,形成高倍率锂离子电池负极材料;所述方法步骤为:
(1)将氯化锰置于方舟中,在管式炉惰性氛围下进行脱水处理,将无水氯化锰取出放入研钵中研磨成粉;所述管式炉的反应温度为200~210℃,反应时间为2~6h;
(2)将步骤(1)中热处理后的无水氯化锰,和石墨原料混合再一起,在研钵中进行研磨,将混合材料置于方舟中,然后在氮气、氩气或真空氛围中的一种的管式炉中加热处理,然后冷却后取出研钵研磨,得到氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极;所述管式炉中加热处理的温度为670~900℃,升温速率为1~10℃/min,保温时间为2~24h。
2.根据权利要求1所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述氯化锰为四水合氯化锰、二水合氯化锰、一水合氯化锰和无水氯化锰中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述石墨为不同粒径的天然石墨、微膨石墨中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种氯化锰包覆石墨高倍率锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述氯化锰与石墨的质量比为0.3~3:1。
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