[發(fā)明專(zhuān)利]用于鋰離子電池負(fù)極的階層多孔炭氣凝膠的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911382346.1
• 申請(qǐng)日: 2019-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111099574A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭興忠;梁浩;王金田;楊輝
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/05
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/05;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 杭州中成專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于鋰離子電池負(fù)極的階層多孔炭氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：將間苯二酚溶于稀鹽酸溶液中，得間苯二酚溶液；在間苯二酚溶液中加入(或不加入)造孔劑、加入甲醛溶液均勻混合，得間苯二酚?甲醛溶液；將間苯二酚?甲醛溶液密封后凝膠陳化；所得的間苯二酚?甲醛有機(jī)濕凝膠進(jìn)行溶劑置換，干燥；于惰性氣體保護(hù)下，將所得的有機(jī)氣凝膠炭化，得階層多孔炭氣凝膠。該炭氣凝膠用作鋰離子電池負(fù)極材料，有望提高鋰離子電池碳負(fù)極材料的各項(xiàng)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域，特別是一種階層多孔結(jié)構(gòu)炭氣凝膠作為鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代社會(huì)不斷發(fā)展，化石能源的過(guò)度消耗及其加速引發(fā)的嚴(yán)重環(huán)境污染，越來(lái)越受到人們的重視，因此亟需開(kāi)發(fā)利用更清潔綠色的能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能等，同時(shí)，也需要循環(huán)性能優(yōu)良、容量大的電池儲(chǔ)存設(shè)備，以轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存能源。另外，電動(dòng)汽車(chē)需要循環(huán)性能足夠好、能量密度足夠高的電池提供電力；移動(dòng)電子設(shè)備的不斷更新?lián)Q代也對(duì)電池的性能提出了更高的要求。鋰離子電池作為新型高效能量存儲(chǔ)設(shè)備，自其商業(yè)化以來(lái)，已為智能手機(jī)、筆記本電腦等諸多電子設(shè)備提供了動(dòng)力基礎(chǔ)，但其發(fā)展瓶頸也日漸顯現(xiàn)，如何進(jìn)一步提高比容量、改善循環(huán)穩(wěn)定性、延長(zhǎng)使用壽命、提高安全性能并降低成本，成為目前主要關(guān)注的問(wèn)題。

鋰離子電池的容量主要受限于其正極和負(fù)極材料。負(fù)極產(chǎn)業(yè)化材料主要以石墨類(lèi)碳材料為主，這類(lèi)材料導(dǎo)電性好、循環(huán)穩(wěn)定性好且成本較低，因而一直占據(jù)商業(yè)化負(fù)極材料的主導(dǎo)地位。然而石墨類(lèi)材料理論比容量較低(374mAh·g^-1)，且因脫嵌鋰的氧化還原電位較低，在充放電過(guò)程中表面容易發(fā)生析鋰，產(chǎn)生鋰枝晶，影響循環(huán)穩(wěn)定性，甚至可能刺透隔膜造成短路，大大降低電池的安全性能。因此開(kāi)發(fā)新型具有高能量密度、高功率密度的鋰離子電池負(fù)極材料成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

有研究指出，具有階層孔徑結(jié)構(gòu)的多孔碳材料，其不同孔徑、不同粒徑之間的協(xié)同作用有助于提高活性電極的儲(chǔ)鋰性能。在電池充放電過(guò)程中，Li⁺可以嵌入多孔碳的石墨微晶區(qū)，然后儲(chǔ)存在其豐富的微孔中，這些小尺寸微孔能有效提高活性物質(zhì)與電解液的接觸面積，增加儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)；介孔既可以作為L(zhǎng)i⁺的傳輸通道，也能夠促進(jìn)電解液的滲透；大孔結(jié)構(gòu)的存在大大緩解了循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)。因此與石墨類(lèi)材料相比，多孔碳具有更好的應(yīng)用前景。

炭氣凝膠材料是一種含豐富微孔結(jié)構(gòu)的非晶多孔碳材料，其孔隙率高，比表面積大，在超級(jí)電容器、電吸附及燃料電池等領(lǐng)域獲得了廣泛研究和應(yīng)用。炭氣凝膠的制備通常通過(guò)間苯二酚和甲醛作為前驅(qū)體，在碳酸鈉等弱堿性催化劑的作用下，發(fā)生縮合成為有機(jī)濕凝膠，然后通過(guò)陳化、干燥、炭化等步驟制得炭氣凝膠。在這樣的弱堿性催化條件下，有機(jī)縮合反應(yīng)速率較慢，得到的有機(jī)凝膠骨架強(qiáng)度不高，在后續(xù)干燥、炭化過(guò)程中容易發(fā)生顯著的體積收縮，導(dǎo)致炭氣凝膠材料密度、硬度較大，應(yīng)用困難，其孔徑主要為小尺寸的微孔和介孔(微孔尺寸＜1nm，介孔孔徑為2～50nm)，雖然具有很高的比表面，但利用率不高，大大限制了其在鋰離子電池負(fù)極方面的應(yīng)用。間苯二酚：甲醛＝1:2的摩爾比時(shí)，上述利用碳酸鈉等弱堿性催化劑制備所得的炭氣凝膠制備而得的鋰離子電池，在0.2C恒流充放電條件下，比容量約為120mAh/g，約50次循環(huán)后，其比容量就會(huì)產(chǎn)生衰減。并且在有機(jī)凝膠的干燥過(guò)程中，為了減小表面張力的影響，大多使用超臨界干燥或冷凍干燥技術(shù)，流程較復(fù)雜，成本較高；該類(lèi)方法如果采用常壓干燥，炭化過(guò)程產(chǎn)生的收縮會(huì)更加嚴(yán)重，最終制得的炭氣凝膠致密度高、體積密度大，大量孔結(jié)構(gòu)消失，從而失去應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于鋰離子電池負(fù)極的階層多孔炭氣凝膠的制備方法，本發(fā)明不僅可以改善多孔碳材料負(fù)極充放電過(guò)程中的循環(huán)穩(wěn)定性，提高安全性能，同時(shí)還具備較高的比容量。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于鋰離子電池負(fù)極的階層多孔炭氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

1)、將間苯二酚溶于稀鹽酸溶液中，得間苯二酚溶液；