CN102610804A - 锂离子电池负极材料的制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池 - Google Patents
锂离子电池负极材料的制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，该锂离子电池负极材料通过将石墨碳材料置于等离子体处理装置中进行处理获得。本发明还提供了一种锂离子电池负极及锂离子电池。所获得的锂离子电池负极材料，对电解液具有良好的浸润性。由该锂离子电池负极材料制得的锂离子电池负极的浸润性也得到相应的改善。从而保证在锂离子电池负极的压实密度更高的条件下负极对电解液的浸润程度，达到提高锂离子电池负极石墨碳材料的单位体积填充量，并进而提高锂离子电池能量密度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池。
背景技术
当前，人类正面临着资源估计和生存环境恶化的双重挑战。为此，世界各国正在努力研发新材料，推进低碳生活的新理念，促进人类社会由目前的高能耗、高消耗生活生产方式转向节能型、可循环的可持续发展方式。具体为大力推广清洁能源的应用，如太阳能、风能在发电领域的应用，以及使用混合动力汽车或纯电动汽车代替目前使用汽油的传统汽车。
清洁能源和新型汽的应用均离不开中大型储能电池和动力电池。在众多储能电池和动力电池中，锂离子二次电池由于具有较高的能量密度和较长的使用寿命，已经逐渐取代传统的镍氢/镍镉二次电池，其在新能源汽车、风电储能和太阳能储能等新兴领域拥有巨大发展前景。
锂离子电池的关键部件包括正极、负极、电解液和隔膜，它们共同决定了锂离子电池的性能。锂离子电池正极主要有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等，每种材料都有相应的应用领域；目前，商业化锂离子电池的负极是碳基材料。其它候选负极材料包括硅系、锡系等，这些材料的性能还不能满足商业化需要。目前，商业化锂离子电池的碳基负极材料主要是天然类石墨及其改性后的衍生品、人工石墨材料等。
天然石墨材料的缺点是杂质含量较高，与人工石墨产品相比，天然石墨的优点是比较容易压实，即单位体积内可以填充更多的活性电极材料，不过其最大的缺点是与锂离子电池电解液的浸润性不好。
本质上锂离子电池负极的结构是一个多孔电极，孔内是否存在电解液对电池性能影响很大，如果负极与电解液的浸润性不好，多孔电极的孔内就没有电解液，或者是电解液的含量很少，没有被电解液润湿的石墨碳材料在电池的工作中是不会参与充放电过程的，因此导致电池的比容量降低。因此，改进负极石墨碳材料与电解液的浸润性对于提高锂离子电池的能量密度十分关键。
现有改进的途径主要包括新型导电剂、粘结剂的开发。不过，即使导电剂和粘结剂的浸润性再好，也不会明显改进石墨碳负极材料对电解液的浸润性，因为在负极中导电剂与粘结剂的添加量十分有限，负极的主题仍然是石墨碳材料。最根本的方法是直接改进石墨碳负极材料的浸润性。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种锂离子电池负极材料的制备方法、锂离子电池负极及锂离子电池，本发明提供的锂离子电池负极材料和锂离子电池负极对电解液具有良好的浸润性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种锂离子电池负极材料的制备方法，尤其是，将石墨碳材料置于等离子体处理装置中进行处理，获得锂离子电池负极材料。
优选的，在上述的锂离子电池负极材料的制备方法中，所述等离子体处理装置中的气氛选自氨气、氧气、空气、二氧化碳、硫化氢或水汽。
优选的，在上述的锂离子电池负极材料的制备方法中，所述等离子体处理装置中的气压为1Pa～100Pa，温度为-30～80℃，等离子体处理的功率为1W～1000W/cm2，所述石墨碳材料处理的时间为2min～2h。
本发明还公开了一种锂离子电池负极，尤其是，所述锂离子电池负极包括导电基体和上述的锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料涂覆于所述导电基体上。
本发明还公开了一种锂离子电池，尤其是，包括：正极、上述的锂离子电池负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。
本发明还公开了一种锂离子电池负极的制备方法，尤其是，包括如下步骤：
(1)将石墨碳材料涂覆于导电基体上；
(2)将涂覆有石墨碳材料的导电基体置于等离子体处理装置中进行处理，获得锂离子电池负极。
优选的，在上述的锂离子电池负极的制备方法中，所述等离子体处理装置中的气氛选自氨气、氧气、空气、二氧化碳、硫化氢或水汽。
优选的，在上述的锂离子电池负极的制备方法中，所述等离子体处理装置中的气压为1Pa～100Pa，温度为-30～80℃，等离子体处理的功率为1W～1000W/cm2，所述涂覆有石墨碳材料的导电基体的处理的时间为2min～2h。
本发明还公开了一种上述所制得的锂离子电池负极。
本发明还公开了一种锂离子电池，尤其是，包括：正极、上述的锂离子电池负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。
本发明提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，该锂离子电池负极材料通过将石墨碳材料置于等离子体处理装置中进行处理获得。所获得的锂离子电池负极材料对电解液具有良好的浸润性。
本发明还提供了一种锂离子电池负极的制备方法：首先将石墨碳材料涂覆于导电基体上；然后将涂覆有石墨碳材料的导电基体置于等离子体处理装置中进行处理，从而获得锂离子电池负极。所获得的锂离子电池负极对电解液具有良好的浸润性，而且由其制得的锂离子电池具有较高的能量密度。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种改进天然石墨以及天然石墨改进后的石墨产品对锂离子电池电解液的浸润性，从而保证在石墨碳负极的压实密度更高的条件下负极对锂离子电池电解液的浸润程度，达到提高锂离子电池负极石墨碳材料的单位体积填充量，并进而提高锂离子电池体积能量密度的目的。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种锂离子电池负极材料的制备方法，其将石墨碳材料置于等离子体处理装置中进行处理，获得锂离子电池负极材料。
石墨碳材料可以为天然的石墨碳材料，也可以是各种改性天然石墨碳材料。
等离子体处理装置中的气氛优选自氨气、氧气、空气、二氧化碳、硫化氢或水汽，气压优选为1Pa～100Pa，温度优选为-30～80℃，等离子体处理的功率优选为1W～1000W/cm2，所述石墨碳材料处理的时间优选为2min～2h。
本发明实施例还公开了一种锂离子电池负极，所述锂离子电池负极包括导电基体和上述的锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料涂覆于所述导电基体上。导电基体优选为铜箔。
本发明实施例还公开了一种锂离子电池，包括：正极、上述的锂离子电池负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。
由上述制备方法所获得的锂离子电池负极材料，赋予了石墨碳材料表面极性，从而改进和电解液的浸润性。由该锂离子电池负极材料制得的锂离子电池负极的浸润性也得到相应的改善。从而保证在锂离子电池负极的压实密度更高的条件下负极对电解液的浸润程度，达到提高锂离子电池负极石墨碳材料的单位体积填充量，并进而提高锂离子电池能量密度的目的。
本发明实施例还公开了一种锂离子电池负极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨碳材料涂覆于导电基体上；
(2)将涂覆有石墨碳材料的导电基体置于等离子体处理装置中进行处理，获得锂离子电池负极。
在锂离子电池负极的制备方法中，等离子体处理装置中的气氛优选自氨气、氧气、空气、二氧化碳、硫化氢或水汽，气压优选为1Pa～100Pa，温度优选为-30～80℃，等离子体处理的功率优选为1W～1000W/cm2，所述涂覆有石墨碳材料的导电基体的处理的时间为2min～2h。
本发明实施例还公开了一种由上述制备方法所制得的锂离子电池负极。
本发明实施例还还公开了一种锂离子电池，包括：正极、上述的锂离子电池负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。
上述锂离子电池负极的制备方法中，所获得的锂离子电池负极对电解液具有良好的浸润性。从而保证在锂离子电池负极的压实密度更高的条件下负极对电解液的浸润程度，达到提高锂离子电池负极石墨碳材料的单位体积填充量，并进而提高锂离子电池能量密度的目的。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的技术方案进行描述。本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
以某工厂的天然石墨碳材料作为被处理的样品，将其置于等离子体处理装置中，控制处理温度为80℃，等离子体的处理功率为1000W/cm2，设定等离子体处理装置的压力为100Pa，在二氧化碳气氛下处理2小时，获得锂离子电池负极材料，取出锂离子电池负极材料。
将相同重量的处理过的样品和未处理的样品，分别置于两份相同的锂离子电池电解液中，一定时间后，通过观察可发现，处理过的样品的悬浮性差于未处理的样品。进一步地，将两份样品取出进行称量，可发现处理过的样品的重量明显大于未处理的样品。由此可知：处理过的样品的浸润性好于未处理的样品。
实施例2
以某工厂生产的改性天然石墨碳材料作为研究对象，将该材料采用涂膜方法涂于铜箔导电基体上，并置于等离子体处理装置中，然后在氨气条件下对该成品电极处理，处理气氛为氨气，压力为20Pa，时间为30分钟，处理温度为20℃，处理的功率为5W/cm2，处理完毕后取出电极(锂离子电池负极)，将锂离子电池电解液滴于处理的电极表面上，发现电解液的液滴很快散开；作为对比，将锂离子电池电解液滴在未处理的石墨碳负极表面，发现液滴没有散开，液滴成收缩状。上述实验证实，氨气等离子体处理后样品的浸液能力明显改进。
以上述改性石墨碳粉末材料为研究对象，将其置于等离子体处理装置中，然后在氨气条件下对该粉末材料处理，处理气氛为氨气，压力为20Pa，时间为60分钟，处理温度为0℃，处理的功率为20W/cm2，处理完毕后，分别以未处理的粉末和处理粉末(锂离子电池负极材料)作为活性电极材料，采用涂膜方法制备负极材料，涂于铜箔上边，厚度大约0.12毫米。装配成2016扣式电池后，放置两天后测试负极容量，未处理的石墨碳材料的容量为330mAh/g，由处理石墨碳材料制备的负极(锂离子电池负极)的容量为352mAh/g，证明了材料经过氨气气氛下等离子体处理后浸液能力明显改进。作为进一步对比，分别使用处理的和未处理的石墨材料制备负极片，然后组装2016电池测试负极容量，负极片上经过反复涂膜后活性材料厚度大约1毫米。充放电测试结果显示，用处理过得材料制备的电极(锂离子电池负极)的容量为270mAh/g，而未处理石墨材料制备的负极片，因为极片比较厚，浸液能力差的弱点被放大，容量只有200mAh/g。进一步证实氨气气氛下等离子体处理可以明显改进天然石墨类材料对锂离子电池电解液的浸润性。
实施例3
以某工厂的天然石墨碳材料作为研究对象，将该材料采用涂膜方法涂于铜箔导电基体上，涂膜的厚度大约0.18毫米；将其置于等离子体处理装置中，然后在氧气条件下对该成品电极处理，处理气氛为氧气，压力为1Pa，时间为2分钟，处理温度为80℃，处理的功率为1W/cm2，处理完毕后取出电极(锂离子电池负极)，将锂离子电池电解液滴于处理的电极表面上，发现电解液液滴很快散开；作为对比，将锂离子电池电解液的液滴滴于未处理的石墨碳负极的表面，发现液滴没有散开，液滴成收缩状。上述实验证实，氧气等离子体处理后样品的浸液能力明显改进。
以上述处理和未处理的石墨碳电极作为负极，以锂片作为对电极，以1MLiPF6/EC+DMC作为电解液，加上相应的隔膜组装成2016扣式电池，电池组装完毕后立即进行充放电测试，实验证实，对于处理的石墨碳负极，首次循环容量为323mAh/g，对于未处理的石墨碳负极，首次循环容量为300mAh/g，表明用氧气对石墨碳电极等离子体处理后可明显改进材料与电解液之间的浸润性。
实施例4
以某工厂的天然石墨碳材料作为被处理的样品，将其置于等离子体处理装置中，控制处理温度为30℃，等离子体的处理功率为1000W/cm2，设定等离子体处理装置的压力为10Pa，在水汽气氛下处理2小时，获得锂离子电池负极材料，取出锂离子电池负极材料。
将相同重量的处理过的样品和未处理的样品，分别置于两份相同的锂离子电池电解液中，一定时间后，通过观察可发现，处理过的样品的悬浮性差于未处理的样品。进一步地，将两份样品取出进行称量，可发现处理过的样品的重量明显大于未处理的样品。由此可知：处理过的样品的浸润性好于未处理的样品。
实施例5
以某工厂生产的改性天然石墨碳材料作为被处理的样品，将其置于等离子体处理装置中，控制处理温度为-30℃，等离子体的处理功率为20W/cm2，设定等离子体处理装置的压力为30Pa，在空气气氛下处理2小时，获得锂离子电池负极材料，取出锂离子电池负极材料。
将相同重量的处理过的样品和未处理的样品，分别置于两份相同的锂离子电池电解液中，一定时间后，通过观察可发现，处理过的样品的悬浮性差于未处理的样品。进一步地，将两份样品取出进行称量，可发现处理过的样品的重量明显大于未处理的样品。由此可知：处理过的样品的浸润性好于未处理的样品。
实施例6
以某工厂生产的改性天然石墨碳材料作为被处理的样品，将其置于等离子体处理装置中，控制处理温度为20℃，等离子体的处理功率为10W/cm2，设定等离子体处理装置的压力为20Pa，在硫化氢气氛下处理2小时，获得锂离子电池负极材料，取出锂离子电池负极材料。
将相同重量的处理过的样品和未处理的样品，分别置于两份相同的锂离子电池电解液中，一定时间后，通过观察可发现，处理过的样品的悬浮性差于未处理的样品。进一步地，将两份样品取出进行称量，可发现处理过的样品的重量明显大于未处理的样品。由此可知：处理过的样品的浸润性好于未处理的样品。
分别以未处理的和处理的石墨碳粉采用涂膜法制备成负极片，组装成扣式电池后立即进行充放电测试，结果证实，处理的样品容量为346mAh/g，未处理的为323mAh/g，证实了表面等离子体处理后浸润性得到明显改善。
实施例7
以某工厂生产的改性天然石墨碳材料作为被处理的样品，将其置于等离子体处理装置中，控制处理温度为20℃，等离子体的处理功率为200W/cm2，设定等离子体处理装置的压力为70Pa，在氧气气氛下处理1.5小时，获得锂离子电池负极材料，取出锂离子电池负极材料。
将相同重量的处理过的样品和未处理的样品，分别置于两份相同的锂离子电池电解液中，一定时间后，通过观察可发现，处理过的样品的悬浮性差于未处理的样品。进一步地，将两份样品取出进行称量，可发现处理过的样品的重量明显大于未处理的样品。由此可知：处理过的样品的浸润性好于未处理的样品。
分别以未处理的和处理的石墨碳粉采用涂膜法制备成负极片，组装成扣式电池后立即进行充放电测试，结果证实，处理的样品容量为334mAh/g，未处理的为313mAh/g，证实了表面等离子体处理后浸润性得到明显改善。
实施例8
以某工厂生产的天然石墨碳材料作为被处理的样品，将其置于等离子体处理装置中，控制处理温度为30℃，等离子体的处理功率为50W/cm2，设定等离子体处理装置的压力为50Pa，在氨气气氛下处理1小时，获得锂离子电池负极材料，取出锂离子电池负极材料。
将相同重量的处理过的样品和未处理的样品，分别置于两份相同的锂离子电池电解液中，一定时间后，通过观察可发现，处理过的样品的悬浮性差于未处理的样品。进一步地，将两份样品取出进行称量，可发现处理过的样品的重量明显大于未处理的样品。由此可知：处理过的样品的浸润性好于未处理的样品。
分别以未处理的和处理的石墨碳粉采用涂膜法制备成负极片，组装成扣式电池后立即进行充放电测试，结果证实，处理的样品容量为352mAh/g，未处理的为323mAh/g，证实了表面等离子体处理后浸润性得到明显改善。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：将石墨碳材料置于等离子体处理装置中进行处理，获得锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述等离子体处理装置中的气氛选自氨气、氧气、空气、二氧化碳、硫化氢或水汽。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述等离子体处理装置中的气压为1Pa～100Pa，温度为-30～80℃，等离子体处理的功率为1W～1000W/cm2，所述石墨碳材料处理的时间为2min～2h。
4.一种锂离子电池负极，其特征在于：所述锂离子电池负极包括导电基体和权利要求1所述的锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料涂覆于所述导电基体上。
5.一种锂离子电池，其特征在于，包括：正极、权利要求4所述的锂离子电池负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。
6.一种锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将石墨碳材料涂覆于导电基体上；
(2)将涂覆有石墨碳材料的导电基体置于等离子体处理装置中进行处理，获得锂离子电池负极。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池负极的制备方法，其特征在于：所述等离子体处理装置中的气氛选自氨气、氧气、空气、二氧化碳、硫化氢或水汽。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池负极的制备方法，其特征在于：所述等离子体处理装置中的气压为1Pa～100Pa，温度为-30～80℃，等离子体处理的功率为1W～1000W/cm2，所述涂覆有石墨碳材料的导电基体的处理的时间为2min～2h。
9.一种权利要求6所制得的锂离子电池负极。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括：正极、权利要求9所述的锂离子电池负极、设置在正极和负极之间的隔膜和电解液。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120725 |