[發(fā)明專利]一種鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210138679.1
• 申請(qǐng)日: 2012-05-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102646821A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳遠(yuǎn)富;黃然;王澤高;李萍劍;賀家瑞;張萬(wàn)里;李言榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 周永宏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電池電極復(fù)合材料的制備方法，特別是一種石墨烯鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法。

背景技術(shù)

如圖1所示為鋰離子電池反應(yīng)基本原理圖，鋰離子電池內(nèi)部由4個(gè)部分組成：正極、負(fù)極、電解液和隔膜。示意圖左邊為負(fù)極，右邊為正極，其中正極與負(fù)極由集電極和活性材料組成，M1為負(fù)極，M1為銅箔材料，M2為負(fù)極材料。

因?yàn)榫哂懈叩哪芰棵芏群凸β拭芏龋娀瘜W(xué)存儲(chǔ)器件正廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力車與電動(dòng)車中，由于鋰離子電池具有電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好的特點(diǎn)，更是受到廣泛的關(guān)注。現(xiàn)代工藝常常利用多層石墨或金屬氧化物納米顆粒作為鋰離子電池負(fù)極材料，但均表現(xiàn)為較低的能量密度與功率密度，這是由于這些負(fù)極材料的電子遷移率和鋰離子傳輸速度都很低，會(huì)形成大量的不可逆容量，充放電速度慢。

石墨烯是一種厚度僅為單一原子層的二維蜂窩狀晶體材料，碳納米管具有典型的層狀中空的結(jié)構(gòu)特征。正因?yàn)樗鼈儽旧硖厥獾奶冀Y(jié)構(gòu)，所以它們具有高比表面積、良好的導(dǎo)電性以及大量的有效孔徑，具有很高的能量密度與功率密度。因此在鋰離子電池領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

石墨烯和碳納米管都存在單一方向高導(dǎo)電性，其他取向?qū)щ娦暂^差的缺點(diǎn)，因此石墨烯與碳納米管獨(dú)立作為負(fù)極材料進(jìn)行大電流充放電時(shí)容易出現(xiàn)團(tuán)聚，進(jìn)而影響了鋰離子電池的倍率特性與循環(huán)穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外許多研究都致力于改進(jìn)石墨烯與碳納米管本身性能，或者將石墨烯包覆在金屬氧化物與其他含碳納米顆粒中以提高負(fù)極材料的比容量。專利CN101604750公開(kāi)了一種鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，其制備方法簡(jiǎn)易，循環(huán)性能較穩(wěn)定，但是比容量較低。美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊ACS?NANO?20112787-2794公開(kāi)了另一種石墨烯與碳納米纖維的復(fù)合材料，在流化反應(yīng)器中通過(guò)控制溫度與含碳?xì)怏w的流量與時(shí)間所制備的鋰離子電池負(fù)極材料具有較好的能量密度與功率密度，但納米纖維不能均勻一致的生長(zhǎng)，因此性能并不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了維持鋰離子電池較高的比容量的前提下實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的性能，提供了一種鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，采用該方法制備的鋰離子電池負(fù)極材料用于鋰離子電池后可以達(dá)到本發(fā)明的目的。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

（1）將1質(zhì)量份的化學(xué)液相還原石墨烯粉末添加到體積比為3:1的濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中，在50~100℃容器中回流攪拌1~10h后，靜置10~20h；用去離子水清洗至溶液呈中性，經(jīng)超聲1~4h得到攜帶羧基官能團(tuán)的石墨烯粉末；

（2）將0.5~2質(zhì)量份的MgCl₂溶解于水中，并加入步驟（1）所得的攜帶羧基官能團(tuán)的石墨烯粉末，超聲波分散，并蒸干溶劑得到含有MgCl₂的攜帶羧基官能團(tuán)的石墨烯粉末即為材料A。

（3）在800~1200℃，將步驟（2）的產(chǎn)物材料A（即含有MgCl₂的攜帶羧基官能團(tuán)的石墨烯粉末）燒結(jié)5~10分鐘后得到燒結(jié)后的含有MgO的攜帶羧基官能團(tuán)的石墨烯粉末即為材料B并置于一密封腔體中；

（4）對(duì)步驟（3）中的密封腔體進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度降到小于150Pa時(shí)通入氬氣與氫氣的混合氣體（體積比為3:1~6:1）；當(dāng)腔體的溫度達(dá)到500~1000℃時(shí)，通入相應(yīng)（5~20毫升每分鐘（sccm））流量的含碳?xì)怏w，并維持5~30分鐘，接著停止通入含碳?xì)怏w，在氬氣與氫氣的混合氣體中維持1~6h；反應(yīng)結(jié)束后，在氬氣的保護(hù)下將該材料冷卻到室溫，材料B即轉(zhuǎn)化為石墨烯與碳納米管的復(fù)合材料即為鋰離子電池的負(fù)極材料。

本發(fā)明的有益效果是：該材料具有3D碳結(jié)構(gòu)，利用涂層MgO顆粒作為生長(zhǎng)碳納米管的催化劑，在真空腔體內(nèi)通過(guò)提供含碳?xì)怏w，控制溫度的方法使碳納米管垂直地生長(zhǎng)在石墨烯片層上,且碳納米管生長(zhǎng)方向一致，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該復(fù)合材料能充分發(fā)揮石墨烯與碳納米管各自的優(yōu)勢(shì)（石墨烯具有高比表面積、良好的導(dǎo)電性，碳納米管提供鋰離子更多的存儲(chǔ)空間，同時(shí)碳納米管的插入讓石墨烯的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定）。利用這種石墨烯與碳納米管形成的3D碳結(jié)構(gòu)，有效的縮短了鋰離子傳輸路徑。以此同時(shí)，碳納米管的引入減小了接觸電阻，有利于鋰離子在不同方向上的擴(kuò)散，從而使鋰離子在電極材料中可以很容易進(jìn)入和脫出，減小了不可逆容量，進(jìn)而增加了能量密度。同時(shí)，這種3D碳結(jié)構(gòu)抑制了電極的不可逆團(tuán)聚，從而大大提高了循環(huán)穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的方法所制備的負(fù)極材料所應(yīng)用的鋰離子電池的原理圖。