CN1186350A - 用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料及其制备方法,包括含有95~60at%的碳A和另一种含有5~40at%贮锂量高的材料B,它们经过长时间机械球磨(或化学处理)后,材料的颗粒尺寸被粉化至100~1nm,且B材料的颗粒完全被A材料包覆,该复合材料的比容量达500~1040mAh/g。并在反复充放电过程中的循环稳定性高。由于该种材料比容量高,制备方法简单,易于工业化生产,因而特别适用于电动汽车用的锂离子二次电池。
Description
本发明涉及高性能的电极材料,特别是用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料及其制备方法。
某些金属如Si,Al,Mg,Sn,Pb Bi和锡氧化物如SnO,SnO2,Sn2BPO6,SiSnO5等都可以作为锂离子二次电池的负极材料。上述金属和锡氧化物的贮锂比容量都在600mAh/g以上,远高于石墨的理论比容量372mAh/g。但金属材料最大的弱点是在反复充放电过程中极易粉化,从而加大颗粒之间的接触电阻,导致金属电极的循环寿命偏低。另外,锡的氧化物在比较大的电位范围内反复充放电时,锡的尺寸也会逐渐长大,从而加快比容量衰退。Besenhard.J.O等人(Solid State Ionics,18,19,823(1986))和Courteny Ian A.等人(J.Electrochem.Soc.,144,2943(1997))分别详细研究了纯金属和氧化锡电极的比容量和循环稳定性。
另外, 碳材料亦可用作锂电池的负极, 碳材料的比容量虽然不高为300mAh/g,但循环稳定性高,有些碳材料的循环寿命可达上千次。石墨和焦炭经长时间机械球磨后,比容量可提高到600mAh/g,纳米碳管的比容量略高于石墨,通常为300~700mAh/g,且循环寿命与石墨相当。
陈立泉等人公开的“一种用于锂电池的弥散阳极及其制备方法”(申请日为96.1.22,申请号为96100810.5,公开日为97.7.30), 曾用物理方法简单地将上述两种贮锂材料(碳材料中不包括纳米碳管,另一种贮锂材料中不包括氧化锡)与分散剂均匀混合,并制备成薄膜电极,该电极的比容量为240~640mAh/g,我们认为由于该种电极材料中含有导电性差的分散剂,并且两种贮锂材料的颗粒尺寸都偏大为40~0.001mm即4×107~103nm,从而该种阳极的比容量偏低,并会导致循环稳定性差。
本发明的目的是:研制一种具有比容量高、循环寿命长的,用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料及其制备方法,能解决背景技术中存在的问题。
为达到上述发明目的,本发明的技术方案是:它包括碳材料A和另一种贮锂量高的材料B,其中A的含量为95~60at%,B的含量为5~40at%(at为原子比)。碳材料A可以是石墨,各种炭素材料如焦碳,中间相碳微珠,碳纤维及纳米碳管。另一种贮锂量高的材料B,可以是与锂形成合金的金属或能大量贮锂的锡氧化物,包括Al,Bi,Si,Sn,Mg,Pb和SnO,SnO2,Sn2BPO6,SiSnO5。
用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料的制备方法将含量为95~60at%的碳材料A和含量为5~40at%的贮锂量高的材料B在球磨机中球磨150小时~200小时,球磨罐为密闭式并内充入氩气保护,使A和B材料的颗粒尺寸粉化至100~1nm,且B材料的颗粒完全被A材料包覆,该复合材料的比容量达500~1040mAh/g。
另一种用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料的制备方法是将重量比为1∶22.5的纳米碳管,在浓度为65%的浓硝酸中,120~140℃下腐蚀24~30小时后,加水稀释,并经玻璃滤纸过滤、干燥,然后在开口纳米碳管材料中加入SnCl2·2H2O+HCl溶液,再逐渐滴入NaCO3溶液,直至PH=10.2,将溶液过滤、干燥,制得中孔中含有SnO2的纳米碳管,该复合材料的比容量为700~800mAh/g。
本发明与背景技术相比,具有的有益的效果是: 本发明提供的碳材料的比容量在500~1040mAh/g,是目前广泛使用的碳材料容量的2~4倍,也远高于专利所公开的容量240~640mAh/g,另外,碳其复合材料在反复充放电过程中的循环稳定性高,经20次充放电循坏后容量保持率为75~90%。由于该种材料比容量高,制备方法简单,易于工业化生产,因而特别适用于电动汽车用的锂离子二次电池。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明用长时间(大于150小时)机械球磨的方法使碳材料和金属或金属氧化物内部均形成大量缺陷,并彼此均匀混合,其中碳材料的含量在60at%以上,从而保证金属或金属氧化物颗粒完全被碳材料包覆,且碳材料的晶体尺寸和金属或金属氧化物颗粒尺寸均在100~1nm之间。其中碳材料的结构,类似于低温热解碳,而与未机械球磨前的原始碳材料的结构完全不同,而金属或金属氧化物内部则存在大量缺陷,并出现少量非晶相。对纳米碳管而言,则是用化学处理的方法将纳米尺寸的金属或金属氧化物颗粒嵌入纳米碳管的中孔,
由于金属或金属氧化物颗粒尺寸细化,并有大量缺陷,在反复吸放锂时颗粒自身粉化倾向减弱,同时包覆在金属或金属氧化物颗粒表面的碳材料又可缓解金属或金属氧化物颗粒在吸放锂过程中产生的应力,从而提高材料的循环寿命。另一方面在充放电循环过程中包覆在金属或金属氧化物颗粒表面的碳材料可降低金属或金属氧化物颗粒之间的接触电阻,并提供锂可逆进入金属或金属氧化物颗粒的通道。再则经机械球磨形成的纳米尺寸的碳材料本身也能可逆吸放大量的锂。因此该碳其复合材料不但具有高的比容量,而且兼有长的循环寿命。
实施例1:将光谱纯的石墨粉(300目)与分析纯的Si粉(200目)混合,其中石墨粉占90at%,Si粉占10at%。在行星式球磨机中球磨150小时,球料比为12∶1,球磨机转速为270rmp,球磨罐为密闭式并内充入氩气保护。该种材料的比容量为600mAh/g,经20次充放电循环后比容量保持率为90%。
实施例2:将光谱纯的石墨粉(300目)与分析纯的Si粉(200目)混合,其中石墨粉占80at%,Si粉占20at%。在行星式球磨机中球磨150小时,球料比为12∶1,球磨机转速为270rmp,球磨罐为密闭式并内充入氩气保护。该种材料的比容量为1040mAh/g,经20次充放电循环后比容量保持率为80%。
实施例3:将光谱纯的石墨粉(300目)与分析纯的AL粉(200目)混合,其中石墨粉占70at%,Al粉占30at%。在行星式球磨机中球磨150小时,球料比为12∶1,球磨机转速为270rmp,球磨罐为密闭式并内充入氩气保护,该种材料的比容量为700mAh/g,经20次充放电循环后比容量保持率为85%。
实施例4:将2克CVD纳米碳管在45克浓度为65%的浓硝酸中,120℃下腐蚀24小时后,加水稀释,并经玻璃滤纸过滤、干燥,然后在开口纳米碳管材料中加入SnCl2·2H2O+HCl溶液,再逐渐滴入NaCO3溶液,直至PH=10.2,将溶液过滤、干燥,制得中孔中含有SnO2的纳米碳管。该复合材料的比容量为800mAh/g。经20次充放电循环后比容量保持率为85%。
Claims (5)
1.一种用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料,其特征是:它包括碳材料A和另一种贮锂量高的材料B,其中A的含量为95~60at%,B的含量为5~40at%(at为原子比)。
2.根据权利要求1所述的用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料,其特征是:碳材料A可以是石墨,各种炭素材料如焦碳,中间相碳微珠,碳纤维及纳米碳管。
3.根据权利要求1所述的用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料,其特征是:另一种贮锂量高的材料B,可以是与锂形成合金的金属或能大量贮锂的锡氧化物,包括Al,Bi,Si,Sn,Mg,Pb和SnO,SnO2,Sn2BPO6,SiSnO5。
4.根据权利要求1所述的用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料及其制备方法,其特征是:将含量为95~60at%的碳材料A和含量为5~40at%的贮锂量高的材料B在球磨机中球磨150小时~200小时,球磨罐为密闭式并内充入氩气保护,使A和B材料的颗粒尺寸粉化至100~1nm,且B材料的颗粒完全被A材料包覆,该复合材料的比容量达500~1040mAh/g。
5.根据权利要求1所述的用于锂离子二次电池负极的碳基复合材料及其制备方法,其特征是:将重量比为1∶22.5的纳米碳管,在浓度为65%的浓硝酸中,120~140℃下腐蚀24~30小时后,加水稀释,并经玻璃滤纸过滤,干燥,然后在开口纳米碳管材料中加入SnCl2·2H2O+HCl溶液,再逐渐滴入NaCO3溶液,直至PH=10.2,将溶液过滤、干燥,制得中孔中含有SnO2的纳米碳管,该复食材料的比容量为700~800mAh/g。
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