CN106207188A - 三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将硝酸盐溶液与固态碳源混合，制得浸湿的固态碳源，将上述制得的浸湿的固态碳源烘干，制得含有硝酸盐的固态碳源；将制得的所述含有硝酸盐的固态碳源在惰性气体环境中进行煅烧，得到三维超薄碳基复合材料；制得的三维超薄碳基复合材料，其外表具有片状结构且呈现包覆状态，比表面积比较大，有利于电解液的渗透、扩散和离子的传输，且利用其制得的锂离子电池，其充放电可逆容量比较稳定，展现了良好的循环稳定性。

Description

三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及无机碳基复合材料的制备和应用领域，具体地，涉及三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池因其具有电压高、放电平稳、大电流放电等性能，且比能量高、无污染、循环性能好，在多种领域已经成为最重要的能源之一，例如，便携式电子设备、电动车辆和能量储存***。锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。目前，已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。商业化锂离子电池广泛使用的负极材料主要是石墨类材料，但石墨理论容量低且有安全性问题,因此高理论容量、安全性好的新型负极材料得到越来越多的关注。设计和制备高性能锂离子电池负极材料是满足锂离子电池向电动设备发展的关键因素。
发明内容
本发明的目的是提供三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用，制得的三维超薄碳基复合材料，其外表具有片状结构且呈现包覆状态，比表面积比较大，有利于电解液的渗透、扩散和离子的传输，且利用其制得的锂离子电池，其充放电可逆容量比较稳定，展现了良好的循环稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种三维超薄碳基复合材料的制备方法，其中，所述制备方法包括：
1)将硝酸盐溶液与固态碳源混合，制得浸湿的固态碳源，将上述制得的浸湿的固态碳源烘干，制得含有硝酸盐的固态碳源；
2)将步骤1)中制得的所述含有硝酸盐的固态碳源在惰性气体环境中进行煅烧，得到三维超薄碳基复合材料。
本发明还提供了一种三维超薄碳基复合材料，其中，所述三维超薄碳基复合材料由上述的制备方法制得。
本发明还提供了一种根据上述的三维超薄碳基复合材料在锂离子电池中的应用。
通过上述技术方案，本发明提供了一种三维超薄碳基复合材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将硝酸盐溶液与固态碳源混合，制得浸湿的固态碳源，将上述制得的浸湿的固态碳源烘干，制得含有硝酸盐的固态碳源；将制得的所述含有硝酸盐的固态碳源在惰性气体环境中进行煅烧，得到三维超薄碳基复合材料；制得的三维超薄碳基复合材料，其外表具有片状结构且呈现包覆状态，比表面积比较大，有利于电解液的渗透、扩散和离子的传输，且利用其制得的锂离子电池，其充放电可逆容量比较稳定，展现了良好的循环稳定性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例1制得的三维超薄碳基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图2是实施例4制得的三维超薄碳基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图3是实施例5制得的三维超薄碳基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图4是实施例6制得的三维超薄碳基复合材料的扫描电子显微镜照片；
图5是对比例1制得的含铁化合物的扫描电子显微镜照片；
图6是对比例2制得的黑色固态碳的扫描电子显微镜照片；
图7是应用例1制得的锂离子电池的充放电曲线图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种三维超薄碳基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：1)将硝酸盐溶液与固态碳源混合，制得浸湿的固态碳源，将上述制得的浸湿的固态碳源烘干，制得含有硝酸盐的固态碳源；2)将步骤1)中制得的所述含有硝酸盐的固态碳源在惰性气体环境中进行煅烧，得到三维超薄碳基复合材料。
为了使得制得的三维超薄碳基复合材料具备更高的稳定性，利用其制得的锂离子电池性能更优，所述硝酸盐溶液的浓度不低于0.1mol/L。
为了使得制得的三维超薄碳基复合材料具备更高的稳定性，制得的复合材料呈现包覆状态，形成较大的比表面积，从而利于电解液的渗透、扩散和离子的传输，所述硝酸盐溶液为硝酸铁溶液、硝酸钴溶液、硝酸镍溶液、硝酸铜溶液和硝酸锰溶液中的一种或多种。
所述固态碳源可以为各类生物炭，在本发明中，为了使得制得的三维超薄碳基复合材料具备更高的稳定性，利用其制得的锂离子电池性能更优，所述固态碳源为定性滤纸、脱脂棉和纤维尼龙绳中的一种或多种。
为了将固态碳源煅烧充分，步骤2)中煅烧温度为400-900℃，且煅烧时间为2-10h；升温速率为3-10℃/min。
所述煅烧在惰性气体环境中进行，所述惰性气体为氮气、氦气和氩气中的一种或多种。
为了使得硝酸盐溶液能够充分浸湿固态碳源，相对于1.02g固态碳源，所述硝酸盐溶液的用量为1-8mL。
本发明还提供了一种三维超薄碳基复合材料，其中，所述三维超薄碳基复合材料由上述的制备方法制得。
本发明还提供了一种根据上述的三维超薄碳基复合材料在锂离子电池中的应用。
所述应用方法为将三维超薄碳基复合材料、超级P-Li导电炭黑和PVDF粘合剂混合研磨后，涂覆于铜箔上，而后烘干并压实，制得金属片A1；将上述制得的金属片A1置于惰性气体中组装，制得锂离子电池。
其中，相对于70重量份的所述三维超薄碳基复合材料，所述超级P-Li导电炭黑的用量为18-22重量份，所述PVDF粘合剂的用量为8-12重量份。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
称取13.8g九水合硝酸铁，将其加入到10mL去离子水中，搅拌制得硝酸盐溶液，称取1.08g定性滤纸，将2mL硝酸盐溶液滴加在滤纸上使其完全浸润，将上述制得的浸湿的固态碳源在45℃下烘干(烘烤时间为12h)，制得含有硝酸盐的固态碳源，将含有硝酸盐的固态碳源在氮气氛围下煅烧(煅烧温度为750℃，750℃下煅烧的时间为6h，煅烧温度升至750℃中的升温速率为10℃/min)，得到三维超薄碳基复合材料A1，其扫描电子显微镜(SEM)照片见图1。
实施例2
按照实施例1的方法进行制备，不同的是，九水合硝酸铁的用量为9.2g，最终得到三维超薄碳基复合材料A2。
实施例3
按照实施例1的方法进行制备，不同的是，九水合硝酸铁的用量为2g，最终得到三维超薄碳基复合材料A3。
实施例4
按照实施例1的方法进行制备，不同的是，称12g六水合硝酸钴，将其加入到10mL去离子水中，搅拌制得硝酸盐溶液，最终得到三维超薄碳基复合材料A4，其扫描电子显微镜(SEM)照片见图2。
实施例5
按照实施例1的方法进行制备，不同的是，称9.63g六水合硝酸镍，将其加入到10mL去离子水中，搅拌制得硝酸盐溶液，最终得到三维超薄碳基复合材料A5，其扫描电子显微镜(SEM)照片见图3。
实施例6
按照实施例1的方法进行制备，不同的是，煅烧温度为400℃，400℃下的煅烧时间为10h，煅烧温度升至400℃中的升温速率为3℃/min，最终得到三维超薄碳基复合材料A6，其扫描电子显微镜(SEM)照片见图4。
实施例7
按照实施例1的方法进行制备，不同的是，煅烧温度为900℃，900℃下的煅烧时间为2h，煅烧温度升至900℃中的升温速率为10℃/min，最终得到三维超薄碳基复合材料A7。
应用例1
将实施例1中制得的三维超薄碳基复合材料7g、超级P-Li导电炭黑2g和PVDF粘合剂10g混合研磨后，涂覆于铜箔上，而后烘干并压实，制得金属片；将上述制得的金属片置于惰性气体中组装，制得锂离子电池；并测试制得的锂离子电池的电池容量及循环性能，结果见图7。
对比例1
称取13.8g九水合硝酸铁，将其在氮气环境下进行煅烧，煅烧温度为750℃，750℃下的煅烧时间为6h，温度升至750℃中的升温速率为10℃/min，得到含铁化合物D1，其扫描电子显微镜(SEM)照片见图5。
对比例2
称取1.08g定性滤纸，将其在氮气环境下进行煅烧，煅烧温度为750℃，750℃下的煅烧时间为6h，温度升至750℃中的升温速率为10℃/min，得到黑色固态碳D2，其扫描电子显微镜(SEM)照片见图6。
在本发明范围内制得的三维超薄碳基复合材料A1-A7，其外表具有片状结构且呈现包覆状态，比表面积比较大，有利于电解液的渗透和扩散，同时便于离子的传输，使得该三维超薄碳基复合材料具有高稳定性、高循环性能、且内阻小，本发明提供的方法制备的材料尺寸为0.5～4微米，无需后续筛选。同时，本发明对设备要求低，无需特殊条件，无需预烧和混料，普通高温炉即满足生产。
图7为应用例1中制备的锂电子电池的充放电曲线图，在充放电过程中，充放电可逆容量比较稳定，展现了良好的循环稳定性，充放电效率均维持在96％左右。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种三维超薄碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
1)将硝酸盐溶液与固态碳源混合，制得浸湿的固态碳源，将上述制得的浸湿的固态碳源烘干，制得含有硝酸盐的固态碳源；
2)将步骤1)中制得的所述含有硝酸盐的固态碳源在惰性气体环境中进行煅烧，得到三维超薄碳基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硝酸盐溶液的浓度不低于0.1mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硝酸盐溶液为硝酸铁溶液、硝酸钴溶液、硝酸镍溶液、硝酸铜溶液和硝酸锰溶液中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述固态碳源为定性滤纸、脱脂棉和纤维尼龙绳中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2)中煅烧温度为400-900℃，且煅烧时间为2-10h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2)中煅烧过程的升温速率为3-10℃/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述惰性气体为氮气、氦气和氩气中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，相对于1.02g固态碳源，所述硝酸盐溶液的用量为1-8mL。
9.一种三维超薄碳基复合材料，其特征在于，所述三维超薄碳基复合材料由权利要求1-8中任意一项所述的制备方法制得。
10.一种根据权利要求9所述的三维超薄碳基复合材料在锂离子电池中的应用；
优选地，所述应用方法为将三维超薄碳基复合材料、超级P-Li导电炭黑和PVDF粘合剂混合研磨后，涂覆于铜箔上，而后烘干并压实，制得金属片A1；将上述制得的金属片A1置于惰性气体中组装，制得锂离子电池；
优选地，相对于70重量份的所述三维超薄碳基复合材料，所述超级P-Li导电炭黑的用量为18-22重量份，所述PVDF粘合剂的用量为8-12重量份。
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