CN107634225A - 一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法 - Google Patents

一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，所述方法包括如下步骤：首先前驱体脱水处理；然后脱水处理后的前驱体进行高温碳化处理，得到硬碳正极材料；接着制备混合碳负极材料；再制备金属盐电解液；最后将硬碳正极材料、混合碳负极材料和金属盐电解液组装成双离子电池。本发明直接对前驱体进行高温碳化处理得到硬碳材料，制备方法简单，原材料易得，生产成本低，硬碳材料保持了前驱物原有的形貌特点，充电过程中正极材料中阴离子的负载量大幅度增加，提高双离子电池的比容量，制备的硬碳材料安全，其制备的双离子电池环保，便于回收。

Description

一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法
技术领域
本发明涉及双离子电池技术领域，尤其涉及一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法。
背景技术
锂离子电池(LIBs)比能量高，循环性能好，在消费电子领域应用中取得了巨大的成功，但是锂离子电池成本高，同时受限于原材料价格高，锂离子电池目前的成本降低空间有限。为了降低成本，人们开发了多种高能量密度的蓄电池，其中最近几年新兴的双离子电池就是其中之一。
与锂离子电池的正负极之间只有Li+参与反应不同，双离子电池的充电的过程中，阴离子在电场的作用下向正极迁移，嵌入到正极结构之中，阳离子向负极迁移，嵌入到负极之中，放电的过程则与之相反，正极和负极中的离子脱出，回到电解液中，恢复电解液的浓度。阴离子嵌入正极材料的数量直接影响了双离子电池容量，目前双离子电池使用的正极材料主要是石墨材料，石墨正极材料层与层之间间隙较小，其最高理论容量只有106mA hg-1；石墨正极材料在锂双离子电池实际应用中只提供了60-70mA h g-1左右的比容量。因此，双离子电池容量还有待提高。
发明内容
为解决目前双离子电池使用石墨正极材料提供较低的比容量等问题，本发明提供了一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，所述方法包括如下步骤：
前驱体脱水处理；
脱水处理后的前驱体进行高温碳化处理，得到硬碳正极材料；
制备混合碳负极材料；
制备金属盐电解液；
将硬碳正极材料、混合碳负极材料和金属盐电解液组装成双离子电池。
进一步的，所述前驱体为植物类、生物质类、高分子材料类、化石燃料类等中的至少一种；所述植物前驱体为土豆、玉米棒芯、芋头、红薯、木薯、南瓜的至少一种，所述高分子材料前驱体为吡咯、PVC、PET、PEN、EN的至少一种，进一步优选的，所述化石燃料前驱体为煤渣、乙炔黑的至少一种。
进一步的，所述高温碳化处理为在氮气保护气氛下，在700-1200℃的高温下对前驱体进行碳化处理2-24h。
进一步的，所述制备混合碳负极材料的方法为将两种或多种碳材料按一定比例进行混合，然后在绝水环境下研磨10-15h，再在保护气体氛围下以2-5℃的升温速率升温到80-150℃，然后恒温处理10-20h，得到混合碳负极材料。
进一步的，所述碳材料为石墨烯、氧化石墨烯、石墨、石墨粉、纳米石墨、纳米石墨粉、碳纳米管、活性炭粉、膨胀石墨、膨胀石墨烯、三维石墨烯、炭黑、软碳、石墨球的至少一种。
进一步的，所述金属盐电解液为氟化锂(或钠、钾)、六氟磷酸锂(或钠、钾)、四氟硼酸锂(或钠、钾)、高氯酸锂(或钠、钾)中的一种。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明直接对前驱体进行高温碳化处理得到硬碳材料，制备方法简单，原材料易得，生产成本低，制备的硬碳材料安全，使得其制备的双离子电池环保，便于回收。
2、本发明制备的硬碳材料保持了前驱物原有的形貌特点，层状结构无序不规则，层间的间隙大小不一，且很多层间距大于石墨层间距，使得充电过程中正极材料中阴离子的负载量大幅度增加，从而提高双离子电池的比容量，同时在放电时阴离子还能基本完全脱嵌，经过长期循环容量不衰减，使得双离子电池循环寿命超长。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的硬碳正极材料的TEM图和SEM图；
图3为本发明实施例1提供的锂双离子电池在1A/g电流密度下的充放电曲线图；
图4为本发明实施例1提供的锂双离子电池在1A/g电流密度下的长期充放电循环曲线图；
图5为本发明实施例2提供的硬碳正极材料的TEM图和SEM图；
图6为本发明实施例2提供的钠双离子电池在1A/g电流密度下的充放电曲线图；
图7为本发明实施例2提供的钠双离子电池在1A/g电流密度下的长期充放电循环曲线图；
图8为本发明实施例2提供的钠双离子电池在100mA/g的电流密度下的充放电循环曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，所述方法包括如下步骤：
S101，前驱体脱水处理，所述前驱体为植物类、生物质类、高分子材料类、化石燃料类等中的至少一种；所述植物前驱体为土豆、玉米棒芯、芋头、红薯、木薯、南瓜等，所述高分子材料前驱体为吡咯、PVC、PET、PEN、EN等，进一步优选的，所述化石燃料前驱体为煤渣、乙炔黑等；
S102，脱水处理后的前驱体进行高温碳化处理，得到硬碳正极材料，所述高温碳化处理为在氮气保护气氛下，在700-1200℃的高温下对前驱体进行碳化处理2-24h；
S103，制备混合碳负极材料，所述制备混合碳负极材料的方法为将两种或多种碳材料按一定比例进行混合，然后在绝水环境下研磨10-15h，再在保护气体氛围下以2-5℃的升温速率升温到80-150℃，然后恒温处理10-20h，得到混合碳负极材料，所述碳材料为石墨烯、氧化石墨烯、石墨、石墨粉、纳米石墨、纳米石墨粉、碳纳米管、活性炭粉、膨胀石墨、膨胀石墨烯、三维石墨烯、炭黑、软碳、石墨球等；
S104，制备金属盐电解液，所述金属盐电解液为氟化锂(或钠、钾等)、六氟磷酸锂(或钠、钾等)、四氟硼酸锂(或钠、钾等)、高氯酸锂(或钠、钾等)中的一种；
S105，将硬碳正极材料、混合碳负极材料和金属盐电解液组装成双离子电池。
本发明直接对前驱体进行高温碳化处理得到硬碳材料，制备方法简单，原材料易得，生产成本低，制备的硬碳材料安全，使得其制备的双离子电池环保，便于回收；制备的硬碳材料保持了前驱物原有的形貌特点，层状结构无序不规则，层间的间隙大小不一，且很多层间距大于石墨层间距，使得充电过程中正极材料中阴离子的负载量大幅度增加，从而提高双离子电池的比容量，同时在放电时阴离子还能基本完全脱嵌，经过长期循环容量不衰减，使得双离子电池循环寿命超长。
锂双离子电池制备方法：
S101，将玉米棒芯清洗干净，进行脱水处理得到高温碳化前驱体；
S102，接着将脱水后的玉米棒芯放入氮气保护气氛的管式电阻炉中，在1000℃高温下碳化处理3h，得到硬碳正极材料。
S103，将石墨烯和纳米石墨粉按重量比为6：4进行混合，然后在绝水环境下研磨12h，再在保护气体氛围下以3℃的升温速率升温到100℃，然后恒温处理15h，得到混合碳负极材料；
S104，制备2M六氟磷酸锂(LiPF6)电解液；
S105，锂双离子电池电池组装，在氩气环境(H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm)的手套箱内完成锂双离子电池的组装；
从图2本实施例提供的硬碳正极材料的TEM图和SEM图可以看出硬碳材料由无数层状结构组成，层状结构分明，层状结构无序不规则，层与层之间间隙大小不一且布满多孔结构，这能大幅度增加PF6-阴离子嵌入负载量，从而提高锂双离子电池的比容量。
如图3-4所示，采用充放电曲线、循环稳定性等研究了锂双离子电池的电化学性能。图4显示了第10次、100次、300次的放电/充电曲线图，锂双离子电池的放电容量从第10次122mA h g-1增加到第300次的150mA h g-1。图3为锂双离子电池1A/g高电流密度下的长期循环稳定性能，其经过350次循环后提供了150mA h g-1的高容量，是石墨正极材料的2倍，且放电容量随着循环次数的增加有缓慢增长趋势。因此采用硬碳材料作为正极材料制备的锂双离子电池具有高的放电比容量及超好的长期循环稳定性能。把锂双离子电池用铁钉打个孔洞，电池仍能点亮LED灯，说明电池仍然能正常工作，表明其使用安全。
实施例2
钠双离子电池制备方法：
S101，将玉米棒芯清洗干净，进行脱水处理得到高温碳化前驱体；
S102，接着将脱水后的玉米棒芯放入氮气保护气氛的管式电阻炉中，在900℃高温下碳化处理2h，得到硬碳正极材料。
S103，将石墨烯和纳米石墨按重量比为8：2进行混合，然后在绝水环境下研磨12h，再在保护气体氛围下以3℃的升温速率升温到100℃，然后恒温处理15h，得到混合碳负极材料。
S104，制备3M六氟磷酸钠(NaPF6)电解液。
S105，钠双离子电池电池组装，在氩气环境(H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm)的手套箱内完成钠双离子电池的组装。
从图5本实施例提供硬碳正极材料的TEM图和SEM图可以看出硬碳材料由无数层状结构组成，层状结构分明，层状结构无序不规则，层与层之间间隙大小不一且布满多孔结构，这能大幅度增加PF6-阴离子嵌入负载量，从而提高钠双离子电池的比容量。
如图6-7所示，采用充放电曲线、循环稳定性等研究了钠双离子电池的电化学性能。图6显示了第10次、100次、1000次的放电/充电曲线图，钠双离子电池的放电容量从第10次的107mA h g-1增加到第100次的132mA h g-1。图7为钠双离子电池在1A/g高电流密度下的长期循环稳定性能，其经过700次循环后提供了112mA hg-1的高容量。因此采用硬碳材料作为正极材料制备的钠双离子电池具有高的放电比容量及超好的长期循环稳定性能。
实施例3
锂双离子电池制备方法：
S101，将吡咯高分子材料清洗干净，进行脱水处理得到高温碳化前驱体；
S102，接着将吡咯放入氮气保护气氛的管式电阻炉中，在1100℃高温下碳化处理10h，得到硬碳正极材料。
S103，将石墨烯和纳米石墨粉按重量比为6：4进行混合，然后在绝水环境下研磨12h，再在保护气体氛围下以3℃的升温速率升温到100℃，然后恒温处理15h，得到混合碳负极材料；
S104，制备2.5M六氟磷酸锂(LiPF6)电解液；
S105，锂双离子电池电池组装，在氩气环境(H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm)的手套箱内完成锂双离子电池的组装；
从图8的锂双离子电池的循环曲线图可以看出，电池在100mA/g的电流密度下充放电循环，放电容量高达240多mA h g-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
前驱体脱水处理；
脱水处理后的前驱体进行高温碳化处理，得到硬碳正极材料；
制备混合碳负极材料；
制备金属盐电解液；
将硬碳正极材料、混合碳负极材料和金属盐电解液组装成双离子电池。
2.根据权利要求1所述一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，其特征在于：所述前驱体为植物类、生物质类、高分子材料类、化石燃料类等中的至少一种；所述植物前驱体为土豆、玉米棒芯、芋头、红薯、木薯、南瓜的至少一种，所述高分子材料前驱体为吡咯、PVC、PET、PEN、EN的至少一种，所述化石燃料前驱体为煤渣、乙炔黑的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，其特征在于：所述高温碳化处理为在氮气保护气氛下，在700-1200℃的高温下对前驱体进行碳化处理2-24h。
4.根据权利要求1所述一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，其特征在于：所述制备混合碳负极材料的方法为将两种或多种碳材料按一定比例进行混合，然后在绝水环境下研磨10-15h，再在保护气体氛围下以2-5℃的升温速率升温到80-150℃，然后恒温处理10-20h，得到混合碳负极材料。
5.根据权利要求4所述一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，其特征在于：所述碳材料为石墨烯、氧化石墨烯、石墨、石墨粉、纳米石墨、纳米石墨粉、碳纳米管、活性炭粉、膨胀石墨、膨胀石墨烯、三维石墨烯、炭黑、软碳、石墨球的至少一种。
6.根据权利要求1所述一种采用硬碳正极材料的双离子电池制备方法，其特征在于：所述金属盐电解液为氟化锂(或钠、钾)、六氟磷酸锂(或钠、钾)、四氟硼酸锂(或钠、钾)、高氯酸锂(或钠、钾)中的一种。
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