碳基鋰離子電極材料制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電氣材料技術(shù)，特別是涉及一種碳基鋰離子電極材料制備方法的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]為了適應(yīng)消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展，需要開發(fā)更高能量密度、功率密度、循環(huán)次數(shù)和安全性的鋰離子電池。其中高容量、高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定的電極材料的開發(fā)是關(guān)鍵，也是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，鋰離子電池在手機(jī)、筆記本電腦中得到了廣泛應(yīng)用，鋰電池憑借電壓高、高能量密度和自放電率很低，已經(jīng)成為市面上主要儲(chǔ)能裝置。負(fù)極材料作為鋰離子電池的重要組成部分，直接制約著鋰離子電池的電化學(xué)性能，理想的負(fù)極材料應(yīng)當(dāng)具有高度可逆性，較高的理論比容量，良好的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率、突出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性以及清潔環(huán)保、資源豐富等特點(diǎn)?，F(xiàn)有鋰離子電池的負(fù)極材料主要由石墨制成，石墨具有放電平臺(tái)低，循環(huán)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是石墨的理論容量只有372mAh/g，具有比容量低，能量密度小的缺陷，已經(jīng)不能滿足電動(dòng)車大功率快充電池需求。
[0003]為了克服現(xiàn)有鋰離子電池的缺陷，中科院化學(xué)所的部分研究者研究了熱解碳材料與聚丙烯腈(PAN)為前驅(qū)體的碳結(jié)構(gòu)電性能關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，在700 °C附近進(jìn)行碳化處理所制得的碳纖維，作為鋰電池負(fù)極材料具有較高的容量，盡管碳材料作為負(fù)極有較好的循環(huán)性能，但是碳材料的比容量較低，單純的碳纖維用作鋰離子電池電極材料比容量一般為400 mAh/g左右，雖高于目前商業(yè)化的石墨的372 mAh/g，但也難以滿足電動(dòng)車大功率電池需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種比容量高的碳基鋰離子電極材料制備方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種碳基鋰離子電極材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下:
1)將聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽按1:1的質(zhì)量比分別稱量；
2)將步驟1所稱量好的聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽投入二甲基甲酰胺溶劑中，并使之混合均勻，從而制得前驅(qū)體溶液；
3)利用靜電紡絲儀對(duì)步驟2所制得的前驅(qū)體溶液進(jìn)行電紡，從而制得原絲纖維；
4)將步驟3制得的原絲纖維置于275?285°C的環(huán)境中預(yù)氧化穩(wěn)定，使得原絲纖維中的過渡金屬硝酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡金屬氧化物；
5)將步驟4制得的原絲纖維置于600?800°C的環(huán)境中，并在惰性氣體的保護(hù)氣氛下對(duì)原絲纖維進(jìn)行碳化處理，使得原絲纖維中所含的過渡金屬成份被碳還原為過渡金屬單質(zhì)，即可制得碳基鋰離子電極材料。
[0006]進(jìn)一步的，所述過渡金屬是銅、鎳、鐵、鉻、鈦、鉬、鋯中的一種。
[0007]本發(fā)明提供的碳基鋰離子電極材料制備方法，利用聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽制備原絲纖維，再經(jīng)碳化處理后制備出過渡金屬粒子與碳纖維的復(fù)合材料，通過過渡金屬粒子與碳纖維的組合，使得電極材料具備了較高的比容量高，且制備方法簡(jiǎn)單，制備成本低。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的碳基鋰離子電極材料制作成鋰電池的正極后，該電池的容量及充放電效率的曲線圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的碳基鋰離子電極材料制作成鋰電池的正極后，該電池的在100mA/g?2A/g充放電電流密度下的放電容量曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]以下結(jié)合【附圖說明】對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明中的頓號(hào)均表示和的關(guān)系。
[0010]本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種碳基鋰離子電極材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下:
1)將聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽按1:1的質(zhì)量比分別稱量；
2)將步驟1所稱量好的聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽投入二甲基甲酰胺溶劑中，并使之混合均勻，從而制得前驅(qū)體溶液；
3)利用靜電紡絲儀對(duì)步驟2所制得的前驅(qū)體溶液進(jìn)行電紡，從而制得原絲纖維；
紡絲條件設(shè)置為:紡絲電壓10?20KV，紡絲距離5?25cm，紡絲流速0.1?1.0 ml/
h ；
4)將步驟3制得的原絲纖維置于275?285°C的環(huán)境中預(yù)氧化穩(wěn)定，使得原絲纖維中的過渡金屬硝酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡金屬氧化物；
5)將步驟4制得的原絲纖維置于600?800°C的環(huán)境中，并在惰性氣體的保護(hù)氣氛下對(duì)原絲纖維進(jìn)行碳化處理，使得原絲纖維中所含的過渡金屬成份被碳還原為過渡金屬單質(zhì)，即可制得碳基鋰離子電極材料，原絲纖維經(jīng)碳化處理后，纖維的直徑變細(xì)，且含碳量增加。
[0011]本發(fā)明實(shí)施例中，所述過渡金屬是銅，所述過渡金屬硝酸鹽采用的是三水硝酸銅，本發(fā)明其它實(shí)施例中的過渡金屬也可以是鎳、鐵、鉻、鈦、鉬、鋯中的一種，本發(fā)明其它實(shí)施例中的過渡金屬硝酸鹽也可以采用六水硝酸鎳、九水硝酸鉻等。
[0012]利用日本JE0L公司制造的型號(hào)為2100F的高分辨透射電子顯微鏡在500nm下對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的電極材料進(jìn)行觀察，可以看出本發(fā)明實(shí)施例的電極材料的纖維直徑在400?500nm之間，過渡金屬顆粒均勾分布其中。
[0013]將本發(fā)明實(shí)施例的電極材料制作成鋰電池的負(fù)極，并以這種鋰電池作為測(cè)試對(duì)象，利用武漢市藍(lán)電電子股份有限公司制造的型號(hào)為CT2001A的多通道電池測(cè)試儀對(duì)該測(cè)試對(duì)象進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試；測(cè)試的充放電電壓窗口為1?3V，充放電電流為100mA/g，所測(cè)得的容量及充放電效率的曲線圖如圖1所示，圖1的橫軸為循環(huán)次數(shù)數(shù)軸，圖1中的右側(cè)豎軸為充放電效率數(shù)軸，圖1中的左側(cè)豎軸為容量數(shù)軸，圖1中的曲線S1為充放電效率曲線，圖1中的曲線S2為容量曲線，從圖1中可以看出，測(cè)試對(duì)象的總?cè)萘吭?50 mAh/g以上，經(jīng)過250次充放電循環(huán)后，測(cè)試對(duì)象的容量仍保持650 mAh/g，且除開始的1?2次活化循環(huán)外，充放電效率始終維持在100%，由此可見測(cè)試對(duì)象具有高容量和優(yōu)異高倍率性能，即使經(jīng)過250次充放電循環(huán)后，容量仍保持在650mAh/g ；
將本發(fā)明實(shí)施例的電極材料制作成鋰電池的負(fù)極，并以這種鋰電池作為測(cè)試對(duì)象，利用武漢市藍(lán)電電子股份有限公司制造的型號(hào)為CT2001A的多通道電池測(cè)試儀對(duì)該測(cè)試對(duì)象進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，所測(cè)得的在100mA/g?2A/g充放電電流密度下的放電容量曲線如圖2所示，從圖2可以看出，該測(cè)試對(duì)象在大電流充放電條件下，仍具有較高的容量，比如在高達(dá)2A/g的充放電電流下，該測(cè)試對(duì)象的放電容量仍可達(dá)300mAh/g左右。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳基鋰離子電極材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)將聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽按1:1的質(zhì)量比分別稱量； 2)將步驟1所稱量好的聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽投入二甲基甲酰胺溶劑中，并使之混合均勻，從而制得前驅(qū)體溶液； 3)利用靜電紡絲儀對(duì)步驟2所制得的前驅(qū)體溶液進(jìn)行電紡，從而制得原絲纖維； 4)將步驟3制得的原絲纖維置于275?285°C的環(huán)境中預(yù)氧化穩(wěn)定，使得原絲纖維中的過渡金屬硝酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡金屬氧化物； 5)將步驟4制得的原絲纖維置于600?800°C的環(huán)境中，并在惰性氣體的保護(hù)氣氛下對(duì)原絲纖維進(jìn)行碳化處理，使得原絲纖維中所含的過渡金屬成份被碳還原為過渡金屬單質(zhì)，即可制得碳基鋰離子電極材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基鋰離子電極材料的制備方法，其特征在于:所述過渡金屬是銅、鎳、鐵、絡(luò)、鈦、鉬、錯(cuò)中的一種。
【專利摘要】一種碳基鋰離子電極材料制備方法，涉及電氣材料技術(shù)領(lǐng)域，所解決的是現(xiàn)有材料比容量低的技術(shù)問題。該方法先將聚丙烯腈、過渡金屬硝酸鹽按1：1的質(zhì)量比分別投入二甲基甲酰胺溶劑，從而制得前驅(qū)體溶液；再利用靜電紡絲儀將前驅(qū)體溶液進(jìn)行電紡，從而制得原絲纖維；再依序?qū)υz纖維進(jìn)行預(yù)氧化穩(wěn)定、碳化處理，從而制得碳基鋰離子電極材料。本發(fā)明提供的方法，制備方法簡(jiǎn)單，制備成本低。
【IPC分類】H01M4/587, H01M4/38, H01M4/36, H01M10/0525
【公開號(hào)】CN105355872
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510706449
【發(fā)明人】鄭時(shí)有, 楊俊和, 韓盼, 袁濤, 許心博, 李海語
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年10月27日