[發(fā)明專利]一種鋰電池用負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳負(fù)極材料

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710893504.4
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107706384A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 費本華;張波;陳秀芳;鐘明強;趙正平
• 申請（專利權(quán)）人: 國際竹藤中心;浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京金信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11225
• 代理人: 張皓,黃威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新能源電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種鋰電池用負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳負(fù)極材料。

背景技術(shù)

不同于化石能源為主的傳統(tǒng)能源，以太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能等為代表的新能源在功率輸出上具有較大的隨機性與間歇性，又被稱為間歇性可再生能源。為了實現(xiàn)上述可再生能源的并網(wǎng)應(yīng)用、能量存儲與轉(zhuǎn)化，促生了以安全、高效、環(huán)境友好的二次電池體系為標(biāo)簽的化學(xué)儲能技術(shù)受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研發(fā)投入。其中，鋰離子電池因容量大、工作電壓高、自放電低、安全性高、循環(huán)壽命長、體積小、重量輕、比能高、無記憶效應(yīng)，不含鉛汞重金屬等特性優(yōu)點，牢牢占據(jù)現(xiàn)有市場主體地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、家電、辦公、移動通信等領(lǐng)域。當(dāng)前商用鋰離子電池嵌入型石墨類碳負(fù)極材料比容量低(372mAh·g^-1)，無法滿足在電動汽車、船舶、電動工具等大功率大電流設(shè)備需求。因此，探索新一代高比容量、高能量密度、高循環(huán)壽命和倍率性能的負(fù)極材料已經(jīng)成為研究熱點。

氧化鎳材料因其高達(dá)1100mAh·g^-1理論比容量，2600mAh·cm^-1體積比容量，0.9eV禁帶寬度，0-0.4V工作電位以及250℃工作溫度，成為最有前景的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。此外，氧化鎳原材料資源儲備豐富，制備工藝成熟，適合開發(fā)為商用鋰離子電池負(fù)極材料。氧化鎳作為負(fù)極材料雖具有以上諸多優(yōu)點，但其本身仍存在一些不可避免缺陷：1)氧化鎳是一種半導(dǎo)體材料，本征電阻率1.2*10⁵Ω·cm，介電常數(shù)8.4，電導(dǎo)率較低；2)在充放電循環(huán)過程中，Li⁺的不斷地嵌入和脫出，氧化鎳材料體積變化可達(dá)300％，由此產(chǎn)生一系列問題。如：氧化鎳顆粒粉碎或材料斷裂從而破壞電極結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)電接觸變差，引起容量下降。在電化學(xué)循環(huán)過程中，沿電極厚度方向的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的不均勻極化引發(fā)電極層狀破裂與剝離，進而出現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)崩潰以及電極失效；3)Li⁺嵌入-脫出過程中反復(fù)形成固體-電解質(zhì)界面膜(SEI)，多次充放電循環(huán)后，SEI厚度增加最終導(dǎo)致Si材料失去電化學(xué)活性，造成容量損失。為解決上述問題，提高氧化鎳材料負(fù)極材料性能，制備C@NiO復(fù)合納米材料作為負(fù)極材料，在保證氧化鎳材料高比容量和能量密度的基礎(chǔ)上，減少活性材料裂解或剝離引發(fā)的電極失效，抑制SEI形成，增加導(dǎo)電性，提高充放電循環(huán)性能。總之，圍繞著高性能鋰離子電池應(yīng)用需求，進一步設(shè)計和制備負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳(C@NiO)基納米負(fù)極材料，改善鋰離子電池負(fù)極材料的充放電性能，仍是該領(lǐng)域有待解決的重要科學(xué)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種鋰電池用負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳負(fù)極材料，生物質(zhì)多孔碳材料取用天然竹子或竹筍為原料，制備工藝簡單，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，制備得到的負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳負(fù)極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種鋰電池用負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳負(fù)極材料，其特征在于所述的生物基氮摻雜多孔碳為竹碳、竹筍碳的一種或兩種，碳材料的比表面積為100～3000m²/g，氮元素含量為0.1～10.0wt.％。

所述的負(fù)載氧化鎳納米粒子，粒徑為5～500nm。

制備工藝為：將氧化鎳納米粒子分散于四氫呋喃溶劑中超聲30分鐘，待分散均勻后，加入多孔碳繼續(xù)超聲20分鐘，高速離心，去離子水洗滌，烘箱干燥后得到負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳。

負(fù)載氧化鎳生物基氮摻雜多孔碳復(fù)合材料電極儲鋰性能表征采用CR2025紐扣式半電池，質(zhì)量分?jǐn)?shù)80％的C@NiO復(fù)合材料，10％粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF)，10％導(dǎo)電劑乙炔炭黑溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中并涂覆在銅箔上，真空干燥，6MPa壓緊作為負(fù)極待用，對電極為鋰片，隔膜采用聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多空隔膜，1M六氟磷酸鋰(LiPF6)的碳酸二甲酯(DMC)和碳酸乙烯酯(EC)按體積比1:1配制電解液，封裝進行半電池測試。

采用Land CT2001A(武漢藍(lán)博)對電池進行恒電流充放電測試，通過記錄充放電過程中時間、電壓、電流、容量等數(shù)據(jù)，表征電極材料循環(huán)壽命以及充放電平臺等數(shù)據(jù)。采用Arbin MSTAT4(美國阿濱)對電池進行循環(huán)伏安測試(CV)，獲得電極發(fā)生特定電化學(xué)反應(yīng)電位，分析樣品電化學(xué)反應(yīng)過程與機理，輔助驗證參加電化學(xué)反應(yīng)材料種類。采用CHI660D(上海辰華)進行電化學(xué)阻抗測試，用以對比樣品電荷轉(zhuǎn)移電阻大小。