CN102569757A - 一种铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

一种铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法，将Al、Cu、Si、Ce按照原子百分比配制合金原材料；原材料通过熔炼和熔体快淬制备成前驱合金薄带；将薄带在重量比为3.5％的盐酸水溶液中化学腐蚀10-12小时，得到孔径小于50纳米的纳米多孔材料；再将纳米多孔材料机械破碎至尺寸小于100微米的粉末，即得到铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料。本发明工艺简单，成品率高，本发明制备的纳米多孔锂离子电池负极的质量比容量可达800mAh/g以上，没有明显的体积效应，有优异的电化学循环性能。

Description

一种铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种Cu-Si-Al纳米多孔锂离子电池材料的制备方法，将一定成分范围内的Al-Cu-Si合金通过熔炼，熔体快淬，盐酸溶液浸泡腐蚀形成孔径小于50nm的纳米多孔结构，是一种性能优良的锂离子电池负极材料。
现有技术
锂离子电池由于其储能密度高，寿命长，没有记忆效应等优点而被认为是目前最好的可充电电池。锂离子电池的性能受到负极材料的强烈影响。合金负极材料由于具有高的质量比容量而成为未来代替石墨作为锂离子电池负极材料的发展方向。但由于合金负极材料的循环性能差，限制了其广泛应用。为了改善循环性能，许多合成方法用于制备合金锂离子电池负极材料。其中得到多孔结构，限制电化学循环过程中的体积效应是一种有效的方法。但目前多孔材料的制备主要是将合金制备成复合材料，存在结构尺寸大，难以精确控制，成品率低，容量低，循环性能改善不明显等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单，成品率高，性能优良的纳米多孔锂离子负极材料制备方法，本方法是将铝，铜，硅，铈通过冶炼的方法制备成一定成分范围的合金，再通过熔体快淬将合金制备成薄带，将薄带，通过化学腐蚀制备成一定成分范围的纳米多孔结构，作为电化学循环性能优良的可充放锂离子二次电池负极材料使用。
本发明的技术方案是这样实现的，将Al、Cu、Si、Ce按照原子百分比配制合金原材料；原材料通过熔炼和熔体快淬制备成前驱合金薄带；将薄带在重量比为3.5％的盐酸水溶液中化学腐蚀10-12小时，得到孔径小于50纳米的纳米多孔材料；再将纳米多孔材料机械破碎至尺寸小于100微米的粉末，即得到铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料。
用于制备纳米多孔材料前驱合金薄带的铝的重量百分含量在65-73％之间，铜的重量百分含量在13-16％之间，硅的重量百分含量在13-18％之间，铈的重量百分含量为1％。
制备出的纳米多孔材料的成分范围为重量百分含量62％-65％的铜，32％-35％的硅和小于3％-5％铝组成。
制备的纳米多孔材料的孔径小于50纳米。
本发明用Al，Cu，Si，Ce配制合金，原材料通过熔炼和熔体快淬制备成成分和组织高度均匀的前驱合金薄带，将薄带在重量比为3.5％的盐酸水溶液中化学腐蚀10-12小时后，得到孔径小于50纳米的纳米多孔材料，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池。
本发明将廉价的Al，Cu，Si，Ce配制成合金，原材料用电弧或感应加热至800-1000℃温度后熔炼后浇铸成铸锭，合金铸锭用感应加热至1000℃以上温度重新熔化后通过熔体快淬法制备成薄带，薄带在3.5％的盐酸水溶液中化学腐蚀10-12小时后，得到孔径小于50纳米的纳米多孔材料，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池，本发明制备的纳米多孔锂离子电池负极的质量比容量可达800mAh/g以上，没有明显的体积效应，有优异的电化学循环性能。
具体实施方式
实施例一：
由重量比为65％的铝，18％的硅，16％铜和1％的铈配制前驱合金，合金原材料在真空或0.1MPa氩气环境下用感应电炉加热到800℃-1000℃熔炼成均匀的合金后用普通浇铸法制备成铸锭；铸锭在真空或0.1MPa保护气氛条件的熔体快淬炉内二次熔化并加热到800℃-1000℃，用熔体快淬法制备薄带，合金薄带在重量比3.5％的稀盐酸中浸泡10小时后制备成纳米多孔材料，多孔材料的成分控制在62％的铜，35％的硅和3％铝，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池。
实施例二：
由重量比为67％的铝，16％的硅，16％铜和1％的铈配制前驱合金，上述配制的合金原材料在真空或0.1MPa氩气环境下用感应电炉加热到800℃-1000℃熔炼成均匀的合金后用普通浇铸法制备成铸锭；铸锭在真空或0.1MPa保护气氛条件的熔体快淬炉内二次熔化并加热到800℃-1000℃，用熔体快淬法制备薄带，合金薄带在重量比3.5％的稀盐酸中浸泡12小时后制备成纳米多孔材料，多孔材料的成分控制在64％的铜，33％的硅和3％铝，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池。
实施例三：
由重量比为69％的铝，15％的硅，15％铜和1％的铈配制合金，上述配制的合金原材料在真空或0.1MPa氩气环境下用感应电炉加热到800℃-1000℃熔炼成均匀的合金后用普通浇铸法制备成铸锭；铸锭在真空或0.1MPa保护气氛条件的熔体快淬炉内二次熔化并加热到800℃-1000℃，用熔体快淬法制备薄带，合金薄带在重量比3.5％的稀盐酸中浸泡11小时后制备成纳米多孔材料，多孔材料的成分控制在62％的铜，34％的硅和4％铝，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池。
实施例四：
由重量比为71％的铝，14％的硅，14％铜和1％的铈配制合金，上述配制的合金原材料在真空或0.1MPa氩气环境下用感应电炉加热到800℃-1000℃熔炼成均匀的合金后用普通浇铸法制备成铸锭；铸锭在真空或0.1MPa保护气氛条件的熔体快淬炉内二次熔化并加热到800℃-1000℃，用熔体快淬法制备薄带，合金薄带在重量比3.5％的稀盐酸中浸泡12小时后制备成纳米多孔材料，多孔材料的成分控制在62％的铜，33％的硅和5％铝，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池。
实施例五：
由重量比为73％的铝，13％的硅，13％铜和1％的铈配制合金，上述配制的合金原材料在真空或0.1MPa氩气环境下用感应电炉加热到800℃-1000℃熔炼成均匀的合金后用普通浇铸法制备成铸锭；铸锭在真空或0.1MPa保护气氛条件的熔体快淬炉内二次熔化并加热到800℃-1000℃，用熔体快淬法制备薄带，合金薄带在重量比3.5％的稀盐酸中浸泡10小时后制备成纳米多孔材料，多孔材料的成分控制在63％的铜，32％的硅和5％铝，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池。
由重量比为65％的铝，18％的硅，16％铜和1％的铈配制前驱合金，上述配制的合金原材料在真空或0.1MPa氩气环境下用感应电炉加热到800℃-1000℃熔炼成均匀的合金后用普通浇铸法制备成铸锭；铸锭在真空或0.1MPa保护气氛条件的熔体快淬炉内二次熔化并加热到800℃-1000℃，用熔体快淬法制备薄带，合金薄带在重量比3.5％的稀盐酸中浸泡12小时后制备成纳米多孔材料，多孔材料的成分控制在62％的铜，35％的硅和3％铝，纳米多孔材料用机械粉碎法制备成尺寸小于50微米的粉末，之后将合金粉末与导电剂乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末按重量比84∶8∶8充分混合并溶于N甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成均匀的浆料，并将其涂于集流体上，真空干燥后压制备成锂离子电池负极极片，与含锂的正极片、有机隔膜、电解液放入电池壳内，组装成锂离子可充电电池，负极片的质量比容量可达1000mAh/g以上，并且有很好的循环稳定性。

Claims (4)

1.一种铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，将Al、Cu、Si、Ce按照原子百分比配制合金原材料；原材料通过熔炼和熔体快淬制备成前驱合金薄带；将薄带在重量比为3.5％的盐酸水溶液中化学腐蚀10-12小时，得到孔径小于50纳米的纳米多孔材料；再将纳米多孔材料机械破碎至尺寸小于100微米的粉末，即得到铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，用于制备纳米多孔材料前驱合金薄带的铝的重量百分含量在65-73％之间，铜的重量百分含量在13-16％之间，硅的重量百分含量在13-18％之间，铈的重量百分含量为1％。
3.根据权利要求1所述的铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，制备出的纳米多孔材料的成分范围为重量百分含量62％-65％的铜，32％-35％的硅和小于3％-5％铝组成。
4.根据权利要求1所述的铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，制备的纳米多孔材料的孔径小于50纳米。
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