CN108630993A - 一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：首先制备混合碳材料；再用混合碳材料制备混合碳正负电极；然后制备锂盐电解液；最后将混合碳正负电极和锂盐电解液组装成全电池。本发明采用的正负极碳材料易得、价格便宜，对环境友好，混合碳材料利用多种碳材料相混合，结构稳定，在充放电过程不消耗不损耗，长期循环稳定性好，倍率性能佳。

Description

一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池
技术领域
本发明涉及领域，尤其涉及一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池。
背景技术
锂离子电池(LIBs)由于其相对较高的放电电压、能量密度和很好的功率性能，所以无处不在的应用于便携式电子产品和网络存储。随着现代科技进步及需求，开发高能量密度、低成本的新型可充电电池体系已经受到了越来越多的关注。目前已经市场化的锂离子电池一般采用钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等作为正极材料，这些材料价格昂贵，使得锂离子电池成本较高。再者由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对较大，不能大电流放电。
双离子电池(DIBs)，作为一种高能量和低成本的电能存储装置，已经被发现了几十年。通常情况下，双离子电池在充电过程通过促使阴离子和阳离子在电解液中分别嵌入到正极和负极中，放电过程则反之。
发明内容
为解决目前锂离子电池仍然存在的成本高及双离子电池还未实现商业化等问题，本发明提供了一种正负极材料均用混合碳材料的锂双离子全电池的制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：
制备混合碳材料；
用混合碳材料制备混合碳正负电极；
制备锂盐电解液；
将混合碳正负电极和锂盐电解液组装成全电池。
进一步的，所述制备混合碳材料的方法为将两种或多种碳材料或/和金属化合物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、石墨球等。
进一步的，所述金属化合物为金属氧化物、金属硫化物等。
进一步的，所述制备混合碳正负电极方法为将混合碳材料：乙炔黑：羧甲基纤维素按质量比为8：0.5-2：0.5-2进行均匀混合；然后将混合物溶于乙醇：H2O的质量比为1：1-3的混合溶液中并持续搅拌10-24h；接着将混合物分别均匀涂布到正负极基片上，并在50-80℃的真空炉下干燥5-24h，得到碳正负电极。
进一步的，所述混合碳正电极中的涂布基片为铝箔，混合碳材料的平均重量约为0.3-10mg/cm2，所述混合碳负电极中的涂布基片为铜箔，混合碳材料的平均重量约为0.3-10mg/cm2。
进一步的，所述制备锂盐电解液方法为将0.01-10M的锂盐电解质溶于溶剂中，形成均匀的锂盐电解液。
进一步的，所述锂盐电解质为氟化锂(LiF)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)等中的一种。
进一步的，所述溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)中的两种按体积比为1：1-10(即v1:v2＝1：1-10)混合而成的混合溶液。
进一步的，所述锂双离子全电池在H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm的氩气环境手套箱内组装。
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、本发明采用的正负极碳材料易得、价格便宜，对环境友好；
2、本发明混合碳材料利用多种碳材料相混合，结合各种碳材料及金属化合物的结构优势，结构稳定，其特有的层状多孔结构使得充放电过程金属阳离子在负极和大尺寸阴离子在正极更好的嵌入和脱出，大尺寸阴离子嵌入到正极的混合碳材料使得电池提供了约4.5-5V的高电压平台，提供更高的能量；
3、本发明锂双离子电池正负极电极材料极其稳定，在充放电过程不消耗不损耗，长期循环稳定性好，倍率性能佳。
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为本发明提供的用混合碳材料作正负极材料的锂双离子全电池的制备过程示意图；
图2为本发明提供的混合碳材料的SEM照片；
图3为本发明提供的用混合碳材料作正负极材料的锂双离子全电池的典型充放电曲线图；
图4为本发明提供的用混合碳材料作正负极材料的锂双离子全电池在1000mA/g电流密度下的长期循环稳定性能图。
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。
本发明提供了一种用碳混合材料作正负极材料的锂双离子全电池的制备方法，所述锂双离子全电池采用混合碳材料作为正负极材料，0.01-10M锂盐作为电解液；所述混合碳材料为石墨烯、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、金属氧化物及金属硫化物中的至少两种混合而成的混合物；所述电解液为氟化锂(LiF)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)等中的至少一种。
如图1所示，本发明提供的锂双离子全电池采用如下技术方案：
S01，制备混合碳材料；
将两种或多种碳材料或/和金属化合物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，得到混合碳材料；其中，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；金属化合物为金属氧化物金属氧化物(如NiCoO4)、金属硫化物(如MoS2)等；
S02，制备混合碳正负电极；
将S101得到的混合碳材料：乙炔黑：羧甲基纤维素按质量比为8：0.5-2：0.5-2进行均匀混合；然后将混合物溶于乙醇：H2O的质量比为的混合溶液中并持续搅拌10-24h；接着将混合物分别均匀涂布到正负极基片上，并在50-80℃的真空炉下干燥5-24h，得到混合碳正负电极；其中，混合碳正电极中的涂布基片为铝箔，混合碳正电极中的混合碳材料的平均重量约为0.3-10mg/cm2；混合碳负电极中的涂布基片为铜箔；混合碳负电极中的混合碳材料的平均重量约为0.3-10mg/cm2；
S03，制备锂盐电解液；
将0.01-10M的锂盐电解质溶于溶剂中，形成均匀的锂盐电解液；其中锂盐电解质为氟化锂(LiF)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)等中的一种；溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)中的两种按体积比为1：1-10(即v1:v2＝1：1-10)混合而成的混合溶液；
S04，将混合碳正负电极和锂盐电解液组装成全电池；
在H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm的氩气环境手套箱内完成锂双离子电池的组装；
本发明采用的正负极碳材料易得、价格便宜，对环境友好；混合碳材料利用多种碳材料相混合，结合各种碳材料及金属化合物的结构优势，结构稳定，其特有的层状多孔结构使得充放电过程金属阳离子在负极和大尺寸阴离子在正极更好的嵌入和脱出，大尺寸阴离子嵌入到正极的混合碳材料使得电池提供了约4.5-5V的高电压平台，提供更高的能量；锂双离子电池正负极电极材料极其稳定，在充放电过程不消耗不损耗，长期循环稳定性好，倍率性能佳。
实施例1
S01，制备混合碳材料:
将石墨烯和纳米石墨烯按重量比为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，得到混合碳材料；
S02，制备混合碳正负电极；
将S01得到的混合碳材料：乙炔黑：羧甲基纤维素按质量比为8：1：1进行均匀混合；然后将混合物溶于乙醇：H2O的质量比为1：2的混合溶液中并持续搅拌20h；接着将混合物按混合碳材料的平均重量约为4mg/cm2涂布到正极基片铝箔上，按混合碳材料的平均重量约为2mg/cm2涂布到负极基片铜箔上，并将它们在70℃的真空炉下干燥24h，得到碳正负电极；
S03，制备六氟磷酸锂(LiPF6)电解液；
将1M的1M六氟磷酸锂(LiPF6)溶于体积比为碳酸二乙酯(DEC)：碳酸二甲酯(DMC)＝6：4(v1:v2＝6:4)的混合溶液中；
S04，将混合碳正负电极和锂盐电解液组装成全电池；
在H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm的氩气环境手套箱内完成锂双离子电池的组装；
从图2本发明提供的混合碳材料的SEM图可以看出混合碳材料由无数层状结构组成，层状结构分明，分布均匀，层与层之间布满多孔结构，这有利于电解液的浸润，同时缓解锂化过程的电极体积膨胀。
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全电池的电化学性能。图3显示了典型的放电/充电曲线图，锂双离子全电池的充电容量和放电容量分别为96.8mAh/g和93.9mAh/g，及4.5V的放电电压平台。图4为锂双离子全电池1000mA/g高电流密度下的长期循环稳定性能，其经过100次循环后仍提供了99.6mAh/g的高容量，放电容量完全没有衰减。因此采用混合碳材料作为正负极材料制备的锂双离子全电池具有高的放电电压平台及超好的长期循环稳定性能。
实施例2
S01，制备混合碳材料:
将石墨烯和二硫化钼按重量比为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，得到混合碳材料1；
将纳米石墨和NiCoO4按质量比为9：1进行混合，然后在绝水环境下研磨15h，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18h，得到混合碳材料2；
S02，制备混合碳正负电极；
将S01得到的混合碳材料1：乙炔黑：羧甲基纤维素按质量比为8：1：1进行均匀混合；然后将混合物溶于乙醇：H2O的质量比为1：2的混合溶液中并持续搅拌20h；接着将混合物按混合碳材料的平均重量约为4mg/cm2涂布到正极基片铝箔上；将S01得到的混合碳材料2：乙炔黑：羧甲基纤维素按质量比为8：1：1进行均匀混合；然后将混合物溶于乙醇：H2O的质量比为1：2的混合溶液中并持续搅拌24h按混合碳材料的平均重量约为2mg/cm2涂布到负极基片铜箔上；并将它们在80℃的真空炉下干燥24h，得到混合碳正负电极；
S03，制备六氟磷酸锂(LiPF6)电解液；
将1M的1M六氟磷酸锂(LiPF6)溶于体积比为酸二甲酯(DMC)：碳酸甲乙酯(EMC)＝7：3(v1:v2＝7:3)的混合溶液中；
S04，将混合碳正负电极和锂盐电解液组装成全电池；
在H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm的氩气环境手套箱内完成锂双离子电池的组装；
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 (10)

1.一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
制备混合碳材料；
用混合碳材料制备混合碳正负电极；
制备锂盐电解液；
将混合碳正负电极和锂盐电解液组装成全电池。
2.根据权利要求1所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述制备混合碳材料的方法为将两种或多种碳材料或/和金属化合物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，得到混合碳材料。
3.根据权利要求2所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述两种或多种碳材料为石墨烯、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、石墨球其中两种或多种碳材料。
4.根据权利要求2所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述金属化合物为金属氧化物或金属硫化物。
5.根据权利要求1所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述制备混合碳正负电极方法为将混合碳材料：乙炔黑：羧甲基纤维素按质量比为8：0.5-2：0.5-2进行均匀混合；然后将混合物溶于乙醇：H2O的质量比为1：1-3的混合溶液中并持续搅拌10-24h；接着将混合物分别均匀涂布到正负极基片上，并在50-80℃的真空炉下干燥5-24h，得到碳正负电极。
6.根据权利要求5所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述混合碳正电极中的涂布基片为铝箔，混合碳材料的平均重量约为0.3-10mg/cm2，所述混合碳负电极中的涂布基片为铜箔，混合碳材料的平均重量约为0.3-10mg/cm2。
7.根据权利要求1所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述制备锂盐电解液方法为将0.01-10M的锂盐电解质溶于溶剂中，形成均匀的锂盐电解液。
8.根据权利要求7所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述锂盐电解质为氟化锂(LiF)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)等中的一种。
9.根据权利要求7所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)中的两种按体积比为1：1-10(即v1:v2＝1：1-10)混合而成的混合溶液。
10.根据权利要求1所述一种用混合碳材料作正负极的锂双离子全电池，其特征在于：所述锂双离子全电池在H2O<0.5ppm，O2<0.5ppm的氩气环境手套箱内组装。
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