本發(fā)明屬于鋰離子電池電極材料領(lǐng)域，涉及一種稀土氫化物‐碳納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

鋰離子電池作為一種重要的化學(xué)儲能技術(shù)，由于其儲能密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低等優(yōu)點，在過去二十年中得到了長足的研究和發(fā)展，目前也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備。

目前商業(yè)化鋰離子電池應(yīng)用最普遍的負(fù)極材料為石墨負(fù)極材料，該材料成本低廉，但其在充電時易與電解液形成sei(solidelectrolyteinterface)層，降低其庫倫效率，且天然石墨材料理論儲鋰能力較低，導(dǎo)致鋰離子的能量密度不滿足其長遠(yuǎn)發(fā)展。

針對上述問題，人們對鋰離子電池負(fù)極材料進行了研究與改進。碳納米復(fù)合材料因為獨特的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，具有良好的電學(xué)性能和儲鋰容量，受到了人們的廣泛關(guān)注和探究。中國專利cn103633292b，cn103022414b等均介紹了幾種特殊結(jié)構(gòu)的碳納米復(fù)合材料負(fù)極。但這些負(fù)極材料制備方法較復(fù)雜，成本較高，產(chǎn)率低，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。

有鑒于此，有必要開發(fā)一種同時具有較高容量和較低成本的鋰離子電池負(fù)極。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該材料創(chuàng)新性地將稀土氫化物與碳材料進行復(fù)合，將二者均勻混合并進行納米化處理，得到的材料中稀土氫化物與碳材料產(chǎn)生協(xié)同作用，作為鋰離子電池負(fù)極材料使用，具有較高的儲鋰比容量。同時，該復(fù)合材料制備方法簡單，條件相對溫和，可用于大量生產(chǎn)，所制備出的復(fù)合材料復(fù)合均勻，尺寸小，比例可調(diào)控，可以擴大生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)使稀土金屬吸氫得到稀土氫化物；

(2)將步驟(1)得到的稀土氫化物與碳材料進行混合并球磨，得到稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料。

上述方法步驟(1)中的氫氣純度為99.999％以上。

上述方法步驟(1)和(2)全程在無水無氧的環(huán)境中進行。

上述方法步驟(1)所述的稀土金屬包括但不限于：金屬釔(y)，金屬鑭(la)，金屬鈰(ce)，金屬鐠(pr)，金屬釓(gd)。

上述方法步驟(1)所述稀土金屬吸氫的反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度250℃-400℃，反應(yīng)壓力為3mpa-4mpa氫氣壓力，反應(yīng)時間為2h-10h，優(yōu)選溫度350℃，壓力4mpa，優(yōu)選時間3h-5h。

上述方法步驟(2)中所述的碳材料包括但不限于：無定形碳，石墨，膨脹石墨，石墨烯，多孔碳等。

上述方法步驟(2)中的稀土氫化物與碳材料重量比為1:0.1-1:10。

上述方法步驟(2)中采用行星球磨機進行球磨，球料比為30:1-120:1，優(yōu)選45:1-60:1，球磨時間10min-3000min，優(yōu)選60-300min。

上述方法步驟(2)中球磨在200rpm-250rpm的轉(zhuǎn)速下進行。

上述方法步驟(2)中球磨在室溫下(15-35℃)，0.3mpa-0.4mpa氫氣壓力下進行。

上述方法還包括在充滿氬氣的手套箱中取出并收集稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料樣品。

本發(fā)明還提供了上述方法制備得到的稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料。

本發(fā)明還提供了上述稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)效果

本發(fā)明提供了一種稀土氫化物-碳納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，通過高溫高壓制備稀土氫化物，并通過室溫下低轉(zhuǎn)速球磨將稀土氫化物和碳材料以一定的配比進行均勻混合。該方法具有簡單快捷、產(chǎn)率高、成本低、易于放大生產(chǎn)的優(yōu)勢，反應(yīng)產(chǎn)物混合均勻、顆粒尺寸小、純度高、具有特定的協(xié)同作用，具有較高的儲鋰比容量。本發(fā)明正因為具有以上非常顯著的優(yōu)點，因此極具工業(yè)化應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1.實施例1中制備的yh3-石墨重量比為1:2納米復(fù)合材料粉末x射線衍射圖。

圖2.實施例1中制備的yh3-石墨重量比為1:2納米復(fù)合材料透射電子顯微鏡圖。

圖3.實施例1中制備的yh3-石墨重量比為1:2納米復(fù)合材料的循環(huán)儲鋰性能。

具體實施方式

下面通過實施例詳細(xì)地說明本發(fā)明。但本發(fā)明內(nèi)容并不限于這些實施例。其中，稀土金屬購自北京有色金屬院，商業(yè)碳材料購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司和深圳市天成和科技有限公司，所用行星球磨機型號為fritsch，pulveriszttz5。

實施例1

yh3-石墨重量比為1:2納米復(fù)合材料

(1)取2g金屬y塊，打磨去表面的氧化層，置于管式爐中，在350℃，3mpa氫氣壓力下，吸氫反應(yīng)3h，得到y(tǒng)h3粉末。

(2)取200mgyh3粉末，混入300目石墨粉(購自國藥集團)400mg，加入30g氧化鋯球，向球磨罐中充入0.4mpa的氫氣，利用行星球磨機球磨150min，轉(zhuǎn)速為200rpm。

(3)用真空泵將球磨罐抽至真空，放于充滿氬氣的手套箱中打開，用勺子取出得到的混合材料，并在手套箱中保存。

經(jīng)上述三步后獲得的yh3-石墨納米復(fù)合材料的x射線衍射及透射電子顯微鏡如圖1和圖2所示，從圖中可以看出，yh3和石墨的結(jié)晶性較好，yh3粒徑在500nm左右，并呈現(xiàn)均勻的鑲嵌結(jié)構(gòu)。將該材料用作鋰離子電池負(fù)極，測試其充放電性能如圖3所示，經(jīng)過250圈循環(huán)充放電，平均質(zhì)量比容量大約為700mah/g，并且保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

實施例2

yh3-膨脹石墨重量比為1:0.2納米復(fù)合材料

(1)取2g金屬y塊，打磨去表面的氧化層，置于管式爐中，在350℃，4mpa氫氣壓力下，吸氫反應(yīng)4h，得到y(tǒng)h3粉末。

(2)取500mgyh3粉末，混入200目膨脹石墨粉(購自國藥集團)100mg，加入30g氧化鋯球，向球磨罐中充入0.4mpa的氫氣，利用行星球磨機球磨60min，轉(zhuǎn)速為200rpm。

(3)用真空泵將球磨罐抽至真空，放于充滿氬氣的手套箱中打開，用勺子取出得到的混合材料，并在手套箱中保存。

經(jīng)過上述三步后獲得的yh3-膨脹石墨納米復(fù)合材料中yh3結(jié)晶性較好，粒徑大約200nm，與膨脹石墨混合均勻。

實施例3

lah3-石墨重量比為1:1納米復(fù)合材料

(1)取2g金屬la塊，打磨去表面的氧化層，置于管式爐中，在350℃，3.5mpa氫氣壓力下，吸氫反應(yīng)3h，得到lah3粉末。

(2)取200mglah3粉末，混入300目石墨粉(購自國藥集團)200mg，加入18g氧化鋯球，向球磨罐中充入0.4mpa的氫氣，利用行星球磨機球磨300min，轉(zhuǎn)速為250rpm。

(3)用真空泵將球磨罐抽至真空，放于充滿氬氣的手套箱中打開，用勺子取出得到的混合材料，并在手套箱中保存。

經(jīng)過上述三步后獲得的lah3-石墨納米復(fù)合材料中l(wèi)ah3結(jié)晶性較好，粒徑大約500nm，與石墨混合均勻。

實施例4

gdh3-石墨烯重量比為1:10納米復(fù)合材料

(1)取3g金屬gd塊，打磨去表面的氧化層，置于管式爐中，在400℃，4mpa氫氣壓力下，吸氫反應(yīng)3h，得到gdh3粉末。

(2)取20mggdh3粉末，混入先豐納米-xf001h化學(xué)法石墨烯(購自國藥集團)200mg，加入10g氧化鋯球，向球磨罐中充入0.35mpa的氫氣，利用行星球磨機球磨150min，轉(zhuǎn)速為200rpm。

(3)用真空泵將球磨罐抽至真空，放于充滿氬氣的手套箱中打開，用勺子取出得到的混合材料，并在手套箱中保存。

經(jīng)過上述三步后獲得的gdh3-石墨烯納米復(fù)合材料中g(shù)dh3結(jié)晶性較好，粒徑大約500nm，與石墨烯混合均勻。

實施例5

prh3-碳納米管重量比為1:5納米復(fù)合材料

(1)取3g金屬pr塊，打磨去表面的氧化層，置于管式爐中，在400℃，4mpa氫氣壓力下，吸氫反應(yīng)5h，得到prh3粉末。

(2)取40mgprh3粉末，混入tnim8碳納米管(購自國藥集團)200mg，加入15g氧化鋯球，向球磨罐中充入0.4mpa的氫氣，利用行星球磨機球磨300min，轉(zhuǎn)速為225rpm。

(3)用真空泵將球磨罐抽至真空，放于充滿氬氣的手套箱中打開，用勺子取出得到的混合材料，并在手套箱中保存。

經(jīng)過上述三步后獲得的prh3-碳納米管復(fù)合材料中prh3結(jié)晶性較好，粒徑大約500nm，與碳納米管混合均勻。

實施例6

ceh3-多孔碳重量比為1:2納米復(fù)合材料

(1)取3g金屬ce塊，打磨去表面的氧化層，置于管式爐中，在400℃，4mpa氫氣壓力下，吸氫反應(yīng)5h，得到ceh3粉末。

(2)取200mgceh3粉末，混入多孔碳科琴黑600(購自天成和科技)400mg，加入30g氧化鋯球，向球磨罐中充入0.3mpa的氫氣，利用行星球磨機球磨150min，轉(zhuǎn)速為250rpm。

(3)用真空泵將球磨罐抽至真空，放于充滿氬氣的手套箱中打開，用勺子取出得到的混合材料，并在手套箱中保存。

經(jīng)過上述三步后獲得的ceh3-多孔碳復(fù)合材料中ceh3結(jié)晶性較好，粒徑大約500nm，與多孔碳混合均勻。