CN105514433A - 一种铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

一种铜锌锡硫掺杂石墨烯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锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，以价格低廉的水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、硫化钠和石墨烯作为基础原料，生产成本低，各原料容易获得，并且纯正度有保障，同时，生产过程中各反应物的质量比或者摩尔比容易控制，可操作性强，更利于实际生产。石墨烯极大地提高了电极的电化学活性，与铜锌锡硫基材协同配合，相互作用，避免其作为负极材料，在锂离子***和脱出前后发生较大的体积膨胀和收缩，有效地保障了电极电化学活性的长期安全、稳定、可靠，进而有效提高锂离子电池的导电、容量、充放电、使用寿命等各方面的性能。

Description

一种铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体是一种铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着锂离子电池在便携式电子设备、混合动力汽车、纯电动汽车等方面的广泛应用和快速发展，人们对锂离子电池的容量和安全性能方面不断提出更新更高的要求，由此对高比容量、长寿命、高安全性能锂离子电池的研制从未间断。而锂离子电池负极材料作为电池的重要组成部分，也越来越受到人们的重视和关注。
目前，常规锂离子电池的负极材料主要包括石墨、硬碳和含氢碳等材料，商业化的锂离子电池很多采用石墨作为电池的负极，然而随着人们对电池容量等性能的追求，石墨的理论容量以及锂离子在石墨负极的传输速率等性能在一定程度上限制了它作为锂离子电池负极材料的进一步发展。与石墨材料相比，锡基负极材料的贮锂容量较大，贮锂电位安全，部分锡基材料的质量比容量是石墨的3倍左右，体积比容量是石墨的9倍左右。因此，锡基负极材料与石墨材料相比，具有质量与体积比能量高，价格便宜，无毒副作用，加工合成相对容易等优点，因此，锡基负极材料逐步成为人们研究的热点之一。
但是，常规的直接采用锡基材料作为锂离子电池负极材料，锡基材料在脱嵌锂过程中，其体积会发生严重的变化。锡基负极材料在锂离子***和脱出前后伴随着很大的体积膨胀和收缩，导致了锡基材料遭受较大应力的作用，经过多次循环后，就会导致电极的龟裂粉化甚至从集流体上剥落等问题，由此失去电化学活性，导致锂离子电池循环性能的急剧下降，同时，其在导电、容量、充放电、使用寿命等方面的性能都难以得到保障。鉴于此种情况，申请人将锂离子电池的负极材料作为重要研究方向之一，并提出了以铜锌锡硫掺杂石墨烯材料作为锂离子电池负极材料的方案。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种制备简便、成本低，原料容易获得并且容易保障纯正度，同时，容易控制各反应物的质量比或者摩尔比，反应过程环保无污染，生产出的产品对环境友好，充放电性能良好的铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法。
实现本发明的目的所采取的技术方案是：一种铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡分别加入到装有去离子水的容器中，水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、去离子水的摩尔比为1.5～2.5︰0.5～1.5︰1～1.5︰30～300，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到所有化合物完全溶解，制得黄色透明状的铜锌锡溶液，备用；
步骤2：将硫化钠溶解到去离子水中，硫化钠与去离子水的摩尔比为6～9︰15～150，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到硫化钠完全溶解，制得硫化钠溶液，备用；
步骤3：取步骤2制备的硫化钠溶液，将其缓慢滴定入步骤1所制备的铜锌锡溶液中，硫化钠溶液与铜锌锡溶液的体积比为0.8～1.2:1，滴入过程中保持持续搅拌，滴定完毕后再继续搅拌30～100分钟，然后将滴定反应完全的混合溶液置入微波炉中高火加热20～60分钟，加热温度为100～260℃，制得铜锌锡硫溶液，备用；
步骤4：取市场上购买的浓度为5～12mg/ml的石墨烯水溶液，按照铜锌锡硫溶液与石墨烯水溶液的体积比为1:0.5～2的比例混合，进行超声震荡，频率为20～40千赫兹，时间为0.5～2小时，然后把超声震荡后的溶液倒入高压釜中，温度保持在150～300℃，反应8～18小时，制得铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶。
步骤5：将步骤4制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶在离心机上进行离心洗涤，即先以去离子水为溶剂进行洗涤，再以乙醇（或丙酮）为溶剂中进行洗涤，反复交叉洗涤4～8次，每次洗涤时间1～3小时，洗涤时铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶与去离子水或乙醇（或丙酮）的体积比为1:10～100，最后把多次洗涤所得到的沉淀物放进真空干燥箱中在80～180℃温度下加热干燥8～18小时，得到铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料；
步骤6：将步骤5制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料置入研磨机进行研磨，过300目筛所得粉料与聚偏二氟乙烯均匀混合，质量比为80～95:20～5，混合均匀后加入1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂并将其调匀至50～100帕斯卡·秒的粘度，然后将其均匀涂抹在铜箔上，并放入真空干燥器中于100～180℃下真空干燥8～11小时，即获得得铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
本发明首先以价格低廉的水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、硫化钠和石墨烯作为基础原料，并综合运用溶胶-凝胶法、微波法、热溶剂法等方法制备铜锌锡硫掺杂石墨烯材料，生产成本低，各原料容易获得，并且纯正度有保障，同时，生产过程中各反应物的质量比或者摩尔比容易控制，可操作性强，更利于实际生产。材料制备过程中，采用磁力搅拌和微波加热，有效促使铜锌锡硫形成较大且成熟的纳米颗粒，超声波振荡使铜锌锡硫纳米颗粒和石墨烯混合均匀，并经过高压反应，使铜锌锡硫基材与石墨烯形成稳定的嵌合结构，避免其作为负极材料，在锂离子***和脱出前后发生较大的体积膨胀和收缩，石墨烯极大地提高了电极的电化学活性，与铜锌锡硫基材协同配合，相互作用，有效地保障了电极电化学活性的长期安全、稳定、可靠，进而有效提高锂离子电池的导电、容量、充放电、使用寿命等各方面的性能。
本发明具有成本低，设备和原料易得，制备过程简单，反应过程环保无污染，对环境友好等优点，制备的锂离子电池充放电性能优良，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1是铜锌锡硫纳米颗粒TEM图；
图2是铜锌锡硫掺杂石墨烯纳米颗粒SEM图；
图3是以铜锌锡硫掺杂石墨烯为负极的锂离子原电池结构示意图；
图4是以铜锌锡硫掺杂石墨烯为负极的锂离子原电池首次充放电曲线；
图5是以铜锌锡硫掺杂石墨烯为负极的锂离子原电池的循环容量。
具体实施方式
本发明首先以水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、硫化钠制备出铜锌锡硫溶液，并在铜锌锡硫溶液中掺杂市场上购得的石墨烯溶液，然后经过一系列制备程序，制备出铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶，进而获得铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米颗粒材料，最后通过研磨和混合聚偏二氟乙烯，并采用1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂调匀至一定的粘度均匀刷涂在铜箔上，制备出锂离子电池的负极材料。
具体地，本发明的铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡分别加入到装有去离子水的容器中，水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、去离子水的摩尔比为1.5～2.5︰0.5～1.5︰1～1.5︰30～300，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到所有化合物完全溶解，制得黄色透明状的铜锌锡溶液，备用；
步骤2：将硫化钠溶解到去离子水中，硫化钠与去离子水的摩尔比为6～9︰15～150，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到硫化钠完全溶解，制得硫化钠溶液，备用；
步骤3：取步骤2制备的硫化钠溶液，将其缓慢滴定入步骤1所制备的铜锌锡溶液中，硫化钠溶液与铜锌锡溶液的体积比为0.8～1.2:1，滴入过程中保持持续搅拌，滴定完毕后再继续搅拌30～100分钟，然后将滴定反应完全的混合溶液置入微波炉中高火加热20～60分钟，加热温度为100～260℃，制得铜锌锡硫溶液，备用；
步骤4：取市场上购买的浓度为5～12mg/ml的石墨烯水溶液，按照铜锌锡硫溶液与石墨烯水溶液的体积比为1:0.5～2的比例混合，进行超声震荡，频率为20～40千赫兹，时间为0.5～2小时。然后把超声震荡后的溶液倒入高压釜中，温度保持在150～300℃，反应8～18小时，制得铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶；
步骤5：将步骤5制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶在离心机上进行离心洗涤，即先以去离子水为溶剂进行洗涤，再以乙醇（或丙酮）为溶剂中进行洗涤，反复交叉洗涤4～8次，每次洗涤时间1～3小时，洗涤时铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶与去离子水或乙醇（或丙酮）的体积比约为1:10～100，最后把多次洗涤所得到的沉淀物放进真空干燥箱中在80-180℃温度下加热干燥8-18小时，得到铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料；
步骤6：将步骤6制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料置入研磨机进行研磨，过300目筛所得粉料与聚偏二氟乙烯均匀混合，质量比为80～95:20～5，混合均匀后加入1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂并将其调匀至50～100帕斯卡·秒的粘度，然后将其均匀涂抹在铜箔上，并放入真空干燥器中于100～180℃下真空干燥8～11小时，即获得得铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
进一步优选地，参看图1-5：申请人采用上述方法制备铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料，并采用该负极材料制备锂离子原电池：
步骤1：将水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡分别加入到装有去离子水的容器中，水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、去离子水的摩尔比为2︰1︰1.2︰200，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到所有化合物完全溶解，制得黄色透明状的铜锌锡溶液，备用；
步骤2：将硫化钠溶解到去离子水中，硫化钠与去离子水的摩尔比为8︰90，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到硫化钠完全溶解，制得硫化钠溶液，备用；
步骤3：取步骤2制备的硫化钠溶液，将其缓慢滴定入步骤1所制备的铜锌锡溶液中，硫化钠溶液与铜锌锡溶液的体积比为0.8～1.2:1，滴入过程中保持持续搅拌，滴定完毕后再继续搅拌30～100分钟，然后将滴定反应完全的混合溶液置入微波炉中高火加热20～60分钟，加热温度为100～260℃，制得铜锌锡硫溶液，经透射电子显微镜（TEM）测得铜锌锡硫颗粒的大小为60～100nm，如图1所示；
步骤4：取市场上购买的浓度为8mg/ml的石墨烯水溶液，按照铜锌锡硫溶液与石墨烯水溶液的体积比为2:3的比例混合，在35千赫兹频率进行超声震荡1小时，超声震荡后的溶液倒入高压釜中，温度保持在200℃，反应16小时，制得铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶，铜锌锡硫掺杂石墨烯的微观结构经扫描电子显微镜（SEM）测试，结果如图2所示；
步骤5：将步骤5制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶在离心机上进行离心洗涤，即先以去离子水为溶剂进行洗涤，再以乙醇为溶剂中进行洗涤，反复交叉洗涤6次，每次洗涤时间2小时，洗涤时铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶与去离子水或乙醇的体积比约为1:60，最后把多次洗涤所得到的沉淀物放进真空干燥箱中在150℃温度下加热干燥12小时，得到铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料；
步骤6：将步骤6制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料置入研磨机进行研磨，过300目筛所得粉料与聚偏二氟乙烯均匀混合，质量比为17:3，混合均匀后加入1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂并将其调匀至80帕斯卡·秒的粘度，然后将其均匀涂抹在铜箔上，并放入真空干燥器中于150℃下真空干燥10小时，即获得得铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料；
步骤7：以制得涂有铜锌锡硫掺杂石墨烯材料的铜箔为负极，以金属锂箔为对电极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合物（摩尔比为1:1）作为电解液，该电解液中含电解质LiPF61.1mol/l，以美国celgard-2400单层聚丙烯微孔膜为隔膜，按照如图3所示的原电池结构，在充满氩气的手套箱中进行装配出原电池，放置于50℃温度条件下，活化静置18小时后测试其充放电等性能，其首次充放电如图4所示，多次充放电电容量曲线图如图5所示。
实验结果表明随着循环次数的增多，铜锌锡硫掺杂石墨烯纳米颗粒电极的容量在首次出现一定的衰减，随着循环次数的的增加，铜锌锡硫掺杂石墨烯纳米颗粒电极的容量伴随有较小的衰减，衰减幅度逐渐减小，电极的充放电比容量逐渐稳定，经计算铜锌锡硫掺杂石墨烯纳米颗粒电极的库仑效率逐步稳定并处于一个较高的水平。经过25次循环充放电，铜锌锡硫掺杂石墨烯纳米颗粒电极的库仑效率基本上都维持在96％以上。其可逆容量达到了550mAh/g以上，远远大于石墨的理论容量372mAh/g，在锂离子电池负极材料应用方面的存在着很高的应用价值。
本发明的铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料具有多重优点，首先该材料绿色环保无污染，成本低廉而且容易获得，制备方法简单，易于实现大规模生产。其次，材料中掺杂的石墨烯材料，石墨烯材料具有柔韧的特性，可有效缓冲铜锌锡硫电极材料的体积膨胀，增加锂离子电池的寿命，同时石墨烯材料具有很好的导电性，十分有利于电子在锂离子电池中的传输并降低锂离子电池的内阻，有利于提高锂离子电池内锂离子的扩散传输能力和电极材料的电子传输及导电率等性能。再次，我们通过以铜锌锡硫掺杂石墨烯作为负极材料锂离子原电池多次充放电测试发现其电容量较高：首次充放电为1041mAh/g，多次循环后其库仑效率可达96%以上，可逆容量达到了550mAh/g以上，远大于石墨的理论容量372mAh/g，十分有利于提高锡基锂离子电池的容量，为其进一步向市场推广提供有力的帮助。

Claims (1)

1.一种铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：将水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡分别加入到装有去离子水的容器中，水合乙酸铜、乙酸锌、二水合氯化亚锡、去离子水的摩尔比为1.5～2.5︰0.5～1.5︰1～1.5︰30～300，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到所有化合物完全溶解，制得黄色透明状的铜锌锡溶液，备用；
步骤2：将硫化钠溶解到去离子水中，硫化钠与去离子水的摩尔比为6～9︰15～150，采用磁力搅拌器匀速搅拌，直到硫化钠完全溶解，制得硫化钠溶液，备用；
步骤3：取步骤2制备的硫化钠溶液，将其缓慢滴定入步骤1所制备的铜锌锡溶液中，硫化钠溶液与铜锌锡溶液的体积比为0.8～1.2:1，滴入过程中保持持续搅拌，滴定完毕后再继续搅拌30～100分钟，然后将滴定反应完全的混合溶液置入微波炉中高火加热20～60分钟，加热温度为100～260℃，制得铜锌锡硫溶液，备用；
步骤4：取浓度为5～12mg/ml的石墨烯水溶液，按照铜锌锡硫溶液与石墨烯水溶液的体积比为1:0.5～2的比例混合，进行超声震荡，频率为20～40千赫兹，时间为0.5～2小时，然后把超声震荡后的溶液倒入高压釜中，温度保持在150～300℃，反应8～18小时，制得铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶；
步骤5：将步骤4制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶在离心机上进行离心洗涤，即先以去离子水为溶剂进行洗涤，再以乙醇（或丙酮）为溶剂中进行洗涤，反复交叉洗涤4～8次，每次洗涤时间1～3小时，洗涤时铜锌锡硫掺杂石墨烯溶胶与去离子水或乙醇（或丙酮）的体积比为1:10～100，最后把多次洗涤所得到的沉淀物放进真空干燥箱中在80～180℃温度下加热干燥8～18小时，得到铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料；
步骤6：将步骤5制得的铜锌锡硫掺杂石墨烯的纳米材料置入研磨机进行研磨，过300目筛所得粉料与聚偏二氟乙烯均匀混合，质量比为80～95:20～5，混合均匀后加入1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂并将其调匀至50～100帕斯卡·秒的粘度，然后将其均匀涂抹在铜箔上，并放入真空干燥器中于100～180℃下真空干燥8～11小时，即获得得铜锌锡硫掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
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