本發(fā)明涉及鋰電池制備，具體涉及一種快充快放型鋰電池及制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著便攜式電子設(shè)備的普及與新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場對于高性能電池的需求日益增長，尤其強調(diào)電池的快速充電能力和高功率放電性能。傳統(tǒng)鋰電池雖已在能量密度方面取得顯著進(jìn)步，但在快充快放性能上仍面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2、充電效率限制：現(xiàn)有的鋰電池技術(shù)中，快充過程中易導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度急劇上升，不僅影響電池壽命，還可能引發(fā)安全問題。此外，高電流密度下，鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散速度成為限制快充速率的關(guān)鍵因素。

3、放電功率密度：高功率放電時常遇到電壓快速下降的問題，影響了設(shè)備的持續(xù)運行時間和性能表現(xiàn)。這主要是由于電極材料的電子傳導(dǎo)率和離子擴(kuò)散速率不足以支撐高強度的放電需求。

4、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性：快充快放循環(huán)易加速電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的退化，導(dǎo)致容量衰減加快，同時可能引起電池內(nèi)部短路、熱失控等安全隱患。

5、因此，我們提出了一種快充快放型鋰電池及制備方法，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種快充快放型鋰電池及制備方法。

2、一種快充快放型鋰電池的制備方法，包括如下步驟：

3、s1：基于生物質(zhì)碳制備氟化碳納米管

4、通過香蒲草蒲絨制備管狀生物質(zhì)碳，之后對管狀生物質(zhì)碳進(jìn)行氮摻雜得到氮摻雜碳納米管，將氮摻雜碳納米管酸化后進(jìn)行氟摻雜，得到氟化碳納米管；

5、s2：正極電極極片的制備

6、通過暈苯與ndi-1制備得到共晶體，以共晶體、炭黑、氟化碳納米管、聚偏氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮為原料制備得到正極電極極片；

7、s3：樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒的制備

8、通過三乙醇胺、溴化十六烷基三甲銨、水楊酸鈉、硅酸四乙酯和乙醇為原料合成反應(yīng)得到樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒；

9、s4：負(fù)載氧化鈰的二維分級多孔復(fù)合材料的制備

10、將樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒、二水合乙酸鋅和六水合硝酸鈰混合后煅燒，制備復(fù)合前驅(qū)體，之后通過2-甲基咪唑溶液和十二烷基硫酸鈉溶液調(diào)控制備得到負(fù)載氧化鈰的二維分級多孔復(fù)合材料；

11、s5：負(fù)極電極極片的制備

12、以負(fù)載氧化鈰的二維分級多孔復(fù)合材料、炭黑、氟化碳納米管、聚偏氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮為原料制備得到正極電極極片；

13、s6：鋰電池的組裝

14、將正極電極極片、負(fù)極電極極片、隔膜和電解液組裝制備得到鋰電池。

15、進(jìn)一步地，步驟s1基于生物質(zhì)碳制備氟化碳納米管，具體包括如下步驟：

16、s1.1：將香蒲草蒲絨用去離子水清洗2-3次，將清洗后的香蒲草蒲絨在無水乙醇中浸泡20-30min，之后放入110-120℃烘箱內(nèi)烘干，將2-3重量份烘干的香蒲草蒲絨加入到230-240重量份0.5m的h3po4溶液中，攪拌1-2h后靜置放置24-25h，去除上清液，將沉淀在110-120℃下干燥后，置于充滿氮氣的管式爐中，以5-8℃/min升溫至650-670℃，煅燒2-3h，降溫后研磨粉碎，之后用去離子水清洗2-3次，冷凍干燥10-12h，得到管狀生物質(zhì)碳；

17、s1.2：將2-3重量份雙氰胺和1-2重量份硝酸鎳溶解在250-300重量份乙醇溶液中，在78-80℃下攪拌5-8h，之后加入0.2-0.5重量份管狀生物質(zhì)碳，繼續(xù)攪拌24-25h，得到混合溶液；

18、s1.3：將混合溶液置于石英管式爐中，在氮氣氣氛下，以5-8℃/min升溫至1000-1100℃，煅燒保溫1-2h，將煅燒得到的黑色產(chǎn)物置于5-7mol/l硫酸溶液中，在80-85℃攪拌8-10h，然后用去離子水洗滌至中性，真空干燥后得到氮摻雜碳納米管；

19、s1.4：將1-2重量份氮摻雜碳納米管浸入混合溶液中，超聲1-2h，并在室溫下放置10-12h，之后用去離子水洗滌至中性后，在80-90℃下真空干燥20-24h，得到酸化后的氮摻雜碳納米管；

20、s1.5：向2-3重量份14wt％全氟磺酸樹脂-乙醇的分散液中滴加1mol/lkoh-乙醇溶液，調(diào)節(jié)樹脂分散液的ph值至中性，得到全氟磺酸樹脂乙醇分散液，將酸化后的氮摻雜碳納米管與全氟磺酸樹脂乙醇分散液70-80：5-30質(zhì)量比混合后，置于研缽中研磨均勻，之后轉(zhuǎn)移至通入氮氣的管式爐中煅燒，以5-8℃/min升溫至480-500℃，保溫10-12h，得到氟化碳納米管。

21、進(jìn)一步地，步驟s2正極電極極片的制備，具體包括如下步驟：

22、s2.1：將暈苯與ndi-1以摩爾比1:1的比例混合溶解在二氯乙烷中，濃度為6-7mg/ml，將混合溶液分裝在離心管中，設(shè)定轉(zhuǎn)速11000-12000rpm，離心30-40min，將沉淀用無水乙醇清洗干凈，收集烘干，得到共晶體；

23、s2.2：將8-10重量份共晶體、1-2重量份炭黑、1-2重量份氟化碳納米管和1-2重量份聚偏氟乙烯混合后研磨10-12min，將研磨后混合粉末轉(zhuǎn)移至燒杯中，磁力攪拌下加入10-20重量份n-甲基吡咯烷酮，用封口膜封住燒杯杯口攪拌12-14h形成漿料；

24、s2.3：用刮刀將漿料均勻涂布在鋁箔上，隨后將鋁箔放入真空干燥箱中80-90℃干燥12-14h，干燥之后的鋁箔用切片機切片后，制備得到正極電極極片。

25、進(jìn)一步地，步驟s3樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒的制備，具體包括如下步驟：

26、s3.1：將0.3-0.5重量份三乙醇胺加入到200-300重量份去離子水中之后加熱至80-85℃攪拌30-40min，然后加入5-8重量份溴化十六烷基三甲銨和3-5重量份水楊酸鈉，攪拌混合1-2h，得到混合溶液；

27、s3.2：將30-40重量份原硅酸四乙酯和3-5重量份乙醇混合后加入到混合溶液中，攪拌反應(yīng)3-4h，之后2000-3000r/min下離心10-12min，將離心后的沉淀用乙醇洗滌2-3次，之后在500-550℃下煅燒6-8h，得到樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒。

28、進(jìn)一步地，步驟s4負(fù)載氧化鈰的二維分級多孔復(fù)合材料的制備，具體包括如下步驟：

29、s4.1：將0.15-0.2重量份樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒分散在10-12重量份乙醇中，之后加入0.2-0.3重量份二水合乙酸鋅和0.1-0.2重量份六水合硝酸鈰，室溫攪拌混合10-12h，之后置于40-45℃下蒸干，將所得粉末在400-450℃下煅燒3-5h，得到復(fù)合前驅(qū)體；

30、s4.2：將0.3-0.5重量份2-甲基咪唑溶于10-12重量份去離子水中，超聲分散1-2min得到2-甲基咪唑溶液，將0.1-0.2重量份十二烷基硫酸鈉溶于10-12重量份去離子水，超聲分散1-2min得到十二烷基硫酸鈉溶液；

31、s4.3：向十二烷基硫酸鈉溶液中加入0.5-1重量份復(fù)合前驅(qū)體，之后再加入2-甲基咪唑溶液，攪拌混合10-15s，將混合液密封于菌種瓶中，在26-28℃下反應(yīng)20-24h，之后進(jìn)行7000-8000r/min離心，得到反應(yīng)產(chǎn)物；

32、s4.4：將反應(yīng)產(chǎn)物用甲醇洗滌2-3次，之后再用去離子水洗滌2-3次后置于乙醇中保持20-24h，最后將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理，得到負(fù)載氧化鈰的二維分級多孔復(fù)合材料。

33、進(jìn)一步地，步驟s5負(fù)極電極極片的制備，具體包括如下步驟：

34、s5.1：將8-10重量份負(fù)載氧化鈰的二維分級多孔復(fù)合材料、3-4重量份炭黑、1-2重量份氟化碳納米管和1-2重量份聚偏氟乙烯混合后研磨10-12min，將研磨后混合粉末轉(zhuǎn)移至燒杯中，磁力攪拌下加入10-20重量份n-甲基吡咯烷酮，用封口膜封住燒杯杯口攪拌12-14h形成漿料；

35、s5.2：用刮刀將漿料均勻涂布在銅箔上，隨后將銅箔放入真空干燥箱中80-90℃干燥12-14h，干燥之后的銅箔用切片機切片后，制備得到負(fù)極電極極片。

36、進(jìn)一步地，步驟s6鋰電池的組裝，具體包括如下步驟：

37、s6.1：將正極電極極片、負(fù)極電極極片、涂覆隔膜采用z字形疊片結(jié)構(gòu)制成電芯，疊片正、負(fù)極極耳位于電芯異側(cè)，疊片體最外圈采用電芯體上下兩面負(fù)極電極極片收尾的結(jié)構(gòu)，得到電芯體；

38、s6.2：電芯體經(jīng)過烘烤、超聲焊接、頂側(cè)封裝、烘烤、注電解液、靜置、壓力化成、老化、排氣二封、分容工序制備出鋰離子電池。

39、進(jìn)一步地，步驟s1.4中的混合溶液為濃硝酸和濃硫酸按體積比1：3-4混合得到的。

40、進(jìn)一步地，步驟s6.1中隔膜為celgard2400聚合物隔膜。

41、一種快充快放型鋰電池，由上述任一項所述的一種快充快放型鋰電池的制備方法所制備得到的。

42、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有如下有益效果：

43、1、本發(fā)明制備了共晶體加入到電池正極電極極片的制備中，共晶體具有疏松的骨架，其中大量的空隙為鋰離子的嵌入和脫嵌提供有效的運輸路徑，使得鋰離子在電極中的遷移更加順暢，減少了傳輸阻力，提高了離子傳輸速率，從而提升電池的充放電性能，特別是在高倍率充放電條件下，能夠有效減少電池的極化現(xiàn)象，提高電池的功率輸出，疏松的骨架結(jié)構(gòu)還可以增加電極與電解液的接觸面積，使更多的鋰離子能夠參與反應(yīng)，進(jìn)一步提高電池的容量和能量密度。

44、2、本發(fā)明在制備電池正極電極極片中加入了氟化碳納米管和共晶體，共晶體的疏松骨架可以緩沖鋰離子嵌入和脫嵌過程中引起的體積變化，氟化碳納米管具有高導(dǎo)電性和良好的機械強度，可以在電極中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為鋰離子和電子的傳輸提供快速通道，同時可以作為支撐結(jié)構(gòu)，增強電極的機械強度，能夠承受電極在充放電過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，防止電極變形和破裂，共晶體提供的大量鋰離子傳輸路徑和氟化碳納米管的高導(dǎo)電性可以增加電極的可逆容量，共晶體和氟化碳納米管的復(fù)合可以降低電池的內(nèi)阻，減少電池在充放電過程中的發(fā)熱，因此共晶體和氟化碳納米管的協(xié)同作用可以提高電極的容量和循環(huán)壽命，同時增強電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高電池的性能和安全性。

45、3、本發(fā)明通過以樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒作為硅基底，在其中負(fù)載金屬有機框架，同時利用十二烷基硫酸鈉為導(dǎo)向劑軟模板，精準(zhǔn)調(diào)控，制備得到二維分級多孔復(fù)合材料，并對其進(jìn)行氧化鈰的負(fù)載，介孔二氧化硅本身具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，在電池充放電過程中，能夠承受電極材料的體積變化，減少材料的粉化和脫落現(xiàn)象，在復(fù)合材料的合成過程中，十二烷基硫酸鈉的親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)可以分別與不同的反應(yīng)物相互作用，使得材料在二維方向上生長，形成二維的分層結(jié)構(gòu)，可以使離子在層間更容易擴(kuò)散，相比于無序結(jié)構(gòu)，離子在二維分層結(jié)構(gòu)中的傳輸路徑更加規(guī)則和短捷，從而提高電池的快充性能，而當(dāng)電池過度充電或過度放電時，負(fù)載的氧化鈰可以通過自身的氧化還原反應(yīng)來調(diào)節(jié)電極表面的電荷狀態(tài)，抑制電極材料的結(jié)構(gòu)破壞，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

46、4、本發(fā)明通過香蒲草蒲絨制備氟化碳納米管，蒲草蒲絨是一種天然材料，其纖維結(jié)構(gòu)中含有大量的空隙和微孔，香蒲草蒲絨的天然結(jié)構(gòu)有助于簡化氟化碳納米管的制備過程，減少能耗，同時香蒲草蒲絨的纖維結(jié)構(gòu)可以作為天然模板，有助于形成均勻分布的多孔結(jié)構(gòu)，而多孔結(jié)構(gòu)有助于提高氟化碳納米管的比表面積，從而提高鋰離子遷移擴(kuò)散速率，而且有效增加了與電解液接觸的電化學(xué)反應(yīng)活性面積，從而提高了電池的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率。

47、5、本發(fā)明通過制備氮摻雜碳納米管之后再進(jìn)行酸化，酸化過程能夠使碳管表面產(chǎn)生缺陷，同時引入羥基和羧基等官能團(tuán)，從而進(jìn)行氟原子摻雜，繼而實現(xiàn)氮原子和氟原子的雙摻雜，氮摻雜可以提高碳納米管導(dǎo)電性，氟原子的電負(fù)性強，也可以提高碳納米管的導(dǎo)電性，同時極性較高的含氟碳表面對電解液具有更強的親和性和潤濕性，能夠促進(jìn)電解液更好地滲透，使得鋰離子在電極和電解液之間的遷移通道更加暢通，減少了離子傳輸過程中的阻力，鋰離子可以更快速地在正負(fù)極之間移動，從而提高電池的充放電速率和功率性能，利于電池的快充快放。