CN108075136A - 一种碳纳米管锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纳米管锂离子电池负极材料及其制备方法，涉及锂离子负极材料技术领域。本发明碳纳米管锂离子电池负极材料由以下原料制成：负极材料、碳纳米管、分散剂、十六烷基三甲基溴化铵、溶剂；本发明通过使用十六烷基三甲基溴化铵、分散剂，能够有效提升碳纳米管在浆料中的分散性，同时可以明显提高浆料稳定性，增大浆料固含量，十六烷基三甲基溴化铵的加入可以有效抑制碳纳米管的团聚，同时在相同固含量条件下减小浆料粘度，提高浆料稳定性，另外该负极材料的导电性能和机械性能得到了更大的提升，由于导电性能和机械性能的提升，作为锂离子电池负极材料时，循环性能与倍率充放电性能、首次充放电效率都得到进一步的提升。

Description

一种碳纳米管锂离子电池负极材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子负极材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。自1990年日本索尼公司推出第一代锂离子电池后，它已经得到迅速发展并广泛用于各种便携式设备。传统的锂离子电池通常包括正极、负极、隔膜和电解质四个部分。常见的锂离子电池的正极材料通常选自含锂的活性化合物，负极材料则选自碳系材料。充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。

由此可见，负极活性材料是决定锂离子电池性能的重要因素之一。一种好的负极活性材料应具有以下特点：比能量高；充放电反应可逆性好；与电解液和粘结剂的兼容性好；比表面积小(＜10m2/g)，真密度高(＞2.0g/cm3)；嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好；资源丰富，价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用等。目前，碳材料被广泛用作锂离子电池的负极材料，这些材料的优点是比容量高(200mAh/g-400mAh/g)，循环效率高(＞95％)，循环寿命长和电池内部没有金属锂而不存在安全问题。现有的碳负极材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等。然而，碳材料的种类、制备方法和热处理温度不同时，均会导致负极材料组成和结构上的差异，进而引起锂离子嵌入行为与性能的差异。

现有技术中，通常使用天然石墨作为锂离子电池负极材料。纯的天然石墨作为锂离子电池负极材料时具有比容量高(可达到370mAh/g-430mAh/g)、价格低廉、来源丰富的优点。然而，使用天然石墨的锂离子电池负极也存在首次充放电效率低，循环性能差，对电解液选择性高的缺点。这主要是由于石墨的表面结构特点使得首次嵌锂过程中所形成的钝化膜(Solid Electrolyte Interface，SEI)具有不均匀性和脆性。这些缺点限制了这种负极活性材料在锂离子电池中的广泛应用。

碳纳米管(carbon nanotube，CNT)是近年来发现的一种新型碳系材料，由单层或多层的石墨片状结构卷曲而成。碳纳米管的层间距为0.34纳米，略大于石墨的层间距，有利于锂离子的嵌入和脱出。碳纳米管作锂离子电池负极材料，锂离子不仅可嵌入中空管内，而且可嵌入到层间的缝隙、空穴之中，具有嵌入深度小、过程短，嵌入位置多等优点。然而，目前采用碳纳米管制作的锂离子电池负极，通常将碳纳米管和粘接剂混合均匀后涂覆于集电极上制得电池负极。由于粘结剂的影响，不能充分的利用碳纳米管的表面微孔结构，这限制了负极对锂离子的吸附能力。而且，使用该负极的锂离子电池也存在首次充放电效率低，循环性能差，且对电解液选择性高的缺点。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种碳纳米管锂离子电池负极材料及其制备方法。

为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：

一种碳纳米管锂离子电池负极材料，所述碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料70-90％、碳纳米管6-9％、分散剂0.5-5％、十六烷基三甲基溴化铵2-5％，余量为溶剂。

进一步的，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。

进一步的，所述碳纳米管的平均直径为100-150纳米，长度为16-20微米。

进一步的，所述溶剂为水、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种。

进一步的，所述分散剂为无水乙醇。

一种碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。

本发明提供一种碳纳米管锂离子电池负极材料及其制备方法，与现有技术相比优点在于：

本发明通过使用十六烷基三甲基溴化铵、分散剂，能够有效提升碳纳米管在浆料中的分散性，同时可以明显提高浆料稳定性，增大浆料固含量，十六烷基三甲基溴化铵的加入可以有效抑制碳纳米管的团聚，同时在相同固含量条件下减小浆料粘度，提高浆料稳定性，另外该负极材料的导电性能和机械性能得到了更大的提升，由于导电性能和机械性能的提升，作为锂离子电池负极材料时，循环性能与倍率充放电性能、首次充放电效率都得到进一步的提升；

本发明碳纳米管锂离子电池负极材料，不加入粘结剂，这有利于充分的利用碳纳米管的表面微孔结构，吸附更多的锂离子。所以，该材料制备成锂离子电池负极时可有效增加锂离子的嵌入量，可改善首次嵌锂过程中所形成的钝化膜的稳定性，且对电解液的选择性不高。另外碳纳米管具有优良的导电性能。由于碳纳米管阵列中碳纳米管生长均匀，碳纳米管分散均匀，使得该材料具有较好的机械强度和韧性，导电性能和机械性能得到了更大的提升。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料70％、碳纳米管6％、分散剂0.5％、十六烷基三甲基溴化铵2％，余量为溶剂；

其中，碳纳米管为多壁碳纳米管；碳纳米管的平均直径为100纳米，长度为16微米；溶剂为水；分散剂为无水乙醇；

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。

实施例2：

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料90％、碳纳米管6％、分散剂0.5％、十六烷基三甲基溴化铵2％，余量为溶剂；

其中，碳纳米管为多壁碳纳米管；碳纳米管的平均直径为150纳米，长度为20微米；溶剂为乙醇；分散剂为无水乙醇；

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。

实施例3：

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料75％、碳纳米管9％、分散剂5％、十六烷基三甲基溴化铵5％，余量为溶剂；

其中，碳纳米管为多壁碳纳米管；碳纳米管的平均直径为120纳米，长度为17微米；溶剂为N-甲基吡咯烷酮；分散剂为无水乙醇；

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。

实施例4：

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料85％、碳纳米管7％、分散剂1％、十六烷基三甲基溴化铵3％，余量为溶剂；

其中，碳纳米管为多壁碳纳米管；碳纳米管的平均直径为140纳米，长度为19微米；溶剂为乙二醇；分散剂为无水乙醇；

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。

实施例5：

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料76％、碳纳米管8％、分散剂4％、十六烷基三甲基溴化铵4％，余量为溶剂；

其中，碳纳米管为多壁碳纳米管；碳纳米管的平均直径为130纳米，长度为18微米；溶剂为丙酮；分散剂为无水乙醇；

本实施例碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种碳纳米管锂离子电池负极材料，其特征在于，所述碳纳米管锂离子电池负极材料由以下重量百分比的原料制成：负极材料70-90％、碳纳米管6-9％、分散剂0.5-5％、十六烷基三甲基溴化铵2-5％，余量为溶剂。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管锂离子电池负极材料，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管。

3.根据权利要求2所述的碳纳米管锂离子电池负极材料，其特征在于：所述碳纳米管的平均直径为100-150纳米，长度为16-20微米。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管锂离子电池负极材料，其特征在于：所述溶剂为水、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种。

5.根据权利要求1所述的碳纳米管锂离子电池负极材料，其特征在于：所述分散剂为无水乙醇。

6.一种如权利要求1-5任一所述碳纳米管锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按照重量百分比称取各个原料；

S2、将十六烷基三甲基溴化铵加入溶剂中搅拌均匀，再加入分散剂，搅拌，制得胶液；

S3、将碳纳米管制备成碳纳米管浆料，将碳纳米管浆料，加入步骤S2制得的胶液中，搅拌，制得浆料；

S4、将正极材料加入到步骤S3制得的浆料中，搅拌均匀，出料，即可。