CN109904433A - 大容量快速充放电石墨烯锂离子电池及其合成工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池及其合成工艺，包括以下步骤：制备石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料、制备负极浆料、制备负极片、组装锂离子电池。本发明采用丝瓜络作为负载体，将锡源前驱体嵌入活化后的丝瓜络空隙中，再经过喷雾煅烧，使活化的丝瓜络碳化成负载锡的硬碳球体，喷雾过程中，气体中的石墨烯在空气中包裹在硬碳球体上，形成石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料，锡嵌在硬碳的空隙内，硬碳为锡提供膨胀空间，石墨烯的包覆，增强了其导电性能，且将锡包裹在硬碳内，防止锡脱附，形成紧密的连接，从而提高锂离子电池的容量，增强倍率性能和循环稳定性，保持活性材料的失活。

Description

大容量快速充放电石墨烯锂离子电池及其合成工艺
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备领域，具体涉及一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池及其合成工艺。
背景技术
相较于镍镉、镍氢、铅酸等二次电池，锂离子电池具有独特的优势，首先锂离子电池的开路电压高达3.6V，远高于镍氢、镍镉的1.2V，可有效减少电池组中电池数量，有利于电池轻量化和小型化，锂离子电池以钴酸锂为正极的锂离子电池在深度完全放电下，使用寿命可达1000次，循环中，不产生记忆效应，可在未完全放电的情况下充电而不影响其容量，自放电率低，首次充放电后电极材料表面可形成电解质膜，阻止电子通过，防止漏电，无铅、镉、汞等有毒有害物质，环境友好。
但是锂离子电池也存在一些问题，如电池内部电阻较高，工作时电压变化较大，电极材料成本高等问题。锂离子电池炭负极活性材料一般有碳负极、非碳负极，碳负极包括石墨、无定形碳，由于碳材料受其较低的理论容量所限，逐渐不能满足人们对于高能量密度的锂离子电池的需求，因此转向了非碳负极，包括钛酸锂、硅基负极、锡基负极，由于金属及其氧化物，如锡、锗、铅、铁等，可以与锂发生合金化反应，故具有较高的理论容量，如1mol的锡最多可以与4.4mol的锂发生反应，根据此式计算可得锡的理论质量比容量为993mAh g-1，理论体积比容量为7262mAh cm-3，相当于碳材料理论容量的三倍，因此作为锂离子电池负极材料具有广阔的研究前景。
然而，由于单质锡的特性，其作为锂离子电池负极材料仍有一些问题亟待解决。锡与锂离子进行合金化反应的过程中，锂离子的嵌入和脱出会导致单质锡发生严重的体积膨胀，其膨胀率高达300％，致使电极材料本身粉碎化，且与集流体脱开，无法形成紧密的连接，从而降低锂离子电池的容量，影响其倍率性能和循环稳定性，最终有可能导致活性材料的失活。同时，锡与锂形成合金相后导电性较差，内阻增大，阻碍脱锂的完全进行，产生不可逆容量。此外，电池首次放电过程中，在与电解液接触的锡材料表面会形成一层SEI膜，影响锂离子的移动，造成电极材料首次放电不可逆容量的出现。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池及其合成工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池，包括电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳、负极片，所述负极片采用石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料制备的负极浆料制成。
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料
取10g锡源前驱体、2-3g活化丝瓜络颗粒进行研磨混合，然后分散到300ml的去离子水中，并加入表面活性剂，用超声分散的方法使其充分分散，然后以石墨烯作为碳源，利用喷雾干燥机进行喷雾，在进口温度200℃，出口温度为110℃下，喷雾形成前驱体，在氩气氛围下700-1000℃烧结，自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，在真空烘箱中干燥20-24h，得到石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料；
步骤二、制备负极浆料
称取8g石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料、1-1.2g粘结剂、1-1.2g导电炭黑，放入烧杯中，在磁力搅拌器上，边搅拌边滴加去离子水，至材料均匀混合成黑色糊状浆料，继续搅拌4h，得到负极浆料；
步骤三、制备负极片
将负极浆料涂抹在清洁的负极集流板上，置于干燥箱中，在80-100℃下，烘干12h，将干燥好的负极片放置在模具中，在8Mpa压力下按压3min，得到负极片；
步骤四、组装锂离子电池
选用现有技术中的电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳，本申请中制备的负极片，按照现有技术中的安装方法进行组装，充入电解液，将组装好的电池用封口机封口，静置24h以上，使电解液与电极材料充分接触，制得石墨烯锂离子电池。
具体地，所述锡源前驱体的制备方法为：称取一定质量的柠檬酸、氯化亚锡和氯化钠粉末、置于烧杯中，加入适量的去离子水，用磁力搅拌器搅拌至粉末完全溶解，得到无色透明体，将无色透明液体转入培养皿中，冷冻12h，待完全冷冻后转移至冻干机中，于-50℃中进行冷冻干燥，得到白色粉末，经研磨后得到白色锡源前驱体。
具体地，所述活化丝瓜络的制备方法为：剪成多个直径2.5cm，厚度2-5mm的圆薄片，然后将其放进沸水中沸煮30min后取出,用蒸馏水充分冲洗干净，放入质量分数30％的NaOH溶液中活化，加入一定量的乙醇或丙醇，使乙醇或丙醇的质量为20％，于常温下碱化48-72小时，然后放入700W的微波中间歇辐射10min后，于80℃恒温水浴中回流3小时，用去离子水洗涤产物若干次，直至洗涤呈中性，真空抽滤，得到活化丝瓜络，将活化的丝瓜络剪碎、研磨成活化丝瓜络颗粒。
具体地，所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠(CMC)或聚四氟乙烯(PTFE)。
具体地，所述负极集流板采用铜箔或者镍箔。
具体地，所述喷雾干燥，设备设置参数为推进速度设为0.5ml/h，喷头到接收器的距离为10cm，在25kV的高压电场下进行静电喷雾。
本发明具有以下有益效果：本法中采用丝瓜络作为负载体，丝瓜络的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，质轻且空隙结构发达，呈天然多孔复合结构，在研磨混合过程中，将锡源前驱体嵌入活化后的丝瓜络空隙中，再经过喷雾煅烧，使活化的丝瓜络碳化成负载锡的硬碳球体，喷雾过程中，气体中的石墨烯在空气中包裹在硬碳球体上，形成石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料，锡嵌在硬碳的空隙内，硬碳为锡提供膨胀空间，石墨烯的包覆，增强了其导电性能，且将锡包裹在硬碳内，防止锡脱附，形成紧密的连接，从而提高锂离子电池的容量，增强倍率性能和循环稳定性，保持活性材料的失活。
具体实施方式
以下对本发明的各个方面进行详述，如无具体说明，本发明的各种原料均可通过根据本领域的常规方法制备得到或市售得到。
实施例1
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池，包括电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳、负极片，所述负极片采用石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料制备的负极浆料制成。
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料
取10g锡源前驱体、2g活化丝瓜络颗粒进行研磨混合，然后分散到300ml的去离子水中，并加入表面活性剂，用超声分散的方法使其充分分散，然后以石墨烯作为碳源，利用喷雾干燥机进行喷雾，在进口温度200℃，出口温度为110℃下，喷雾形成前驱体，在氩气氛围下700℃烧结，自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，在真空烘箱中干燥20h，得到石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料；
步骤二、制备负极浆料
称取8g石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料、1g粘结剂、1g导电炭黑，放入烧杯中，在磁力搅拌器上，边搅拌边滴加去离子水，至材料均匀混合成黑色糊状浆料，继续搅拌4h，得到负极浆料；
步骤三、制备负极片
将负极浆料涂抹在清洁的负极集流板上，置于干燥箱中，在80℃下，烘干12h，将干燥好的负极片放置在模具中，在8Mpa压力下按压3min，得到负极片；
步骤四、组装锂离子电池
选用现有技术中的电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳，本申请中制备的负极片，按照现有技术中的安装方法进行组装，将组装好的电池用封口机封口，静置24h以上，使电解液与电极材料充分接触，制得石墨烯锂离子电池。
具体地，所述锡源前驱体的制备方法为：称取一定质量的柠檬酸、氯化亚锡和氯化钠粉末、置于烧杯中，加入适量的去离子水，用磁力搅拌器搅拌至粉末完全溶解，得到无色透明体，将无色透明液体转入培养皿中，冷冻12h，待完全冷冻后转移至冻干机中，于-50℃中进行冷冻干燥，得到白色粉末，经研磨后得到白色锡源前驱体。
具体地，所述活化丝瓜络的制备方法为：剪成多个直径2.5cm，厚度2-5mm的圆薄片，然后将其放进沸水中沸煮30min后取出,用蒸馏水充分冲洗干净，放入质量分数30％的NaOH溶液中活化，加入一定量的乙醇或丙醇，使乙醇或丙醇的质量为20％，于常温下碱化48h，然后放入700W的微波中间歇辐射10min后，于80℃恒温水浴中回流3小时，用去离子水洗涤产物若干次，直至洗涤呈中性，真空抽滤，得到活化丝瓜络，将活化的丝瓜络剪碎、研磨成活化丝瓜络颗粒。
具体地，所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠(CMC)或聚四氟乙烯(PTFE)。
具体地，所述负极集流板采用铜箔或者镍箔。
具体地，所述喷雾干燥，设备设置参数为推进速度设为0.5ml/h，喷头到接收器的距离为10cm，在25kV的高压电场下进行静电喷雾。
实施例2
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池，包括电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳、负极片，所述负极片采用石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料制备的负极浆料制成。
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料
取10g锡源前驱体、2.5g活化丝瓜络颗粒进行研磨混合，然后分散到300ml的去离子水中，并加入表面活性剂，用超声分散的方法使其充分分散，然后以石墨烯作为碳源，利用喷雾干燥机进行喷雾，在进口温度200℃，出口温度为110℃下，喷雾形成前驱体，在氩气氛围下800℃烧结，自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，在真空烘箱中干燥22h，得到石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料；
步骤二、制备负极浆料
称取8g石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料、1.1g粘结剂、1.2g导电炭黑，放入烧杯中，在磁力搅拌器上，边搅拌边滴加去离子水，至材料均匀混合成黑色糊状浆料，继续搅拌4h，得到负极浆料；
步骤三、制备负极片
将负极浆料涂抹在清洁的负极集流板上，置于干燥箱中，在90℃下，烘干12h，将干燥好的负极片放置在模具中，在8Mpa压力下按压3min，得到负极片；
步骤四、组装锂离子电池
选用现有技术中的电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳，本申请中制备的负极片，按照现有技术中的安装方法进行组装，将组装好的电池用封口机封口，静置24h以上，使电解液与电极材料充分接触，制得石墨烯锂离子电池。
具体地，所述锡源前驱体的制备方法为：称取一定质量的柠檬酸、氯化亚锡和氯化钠粉末、置于烧杯中，加入适量的去离子水，用磁力搅拌器搅拌至粉末完全溶解，得到无色透明体，将无色透明液体转入培养皿中，冷冻12h，待完全冷冻后转移至冻干机中，于-50℃中进行冷冻干燥，得到白色粉末，经研磨后得到白色锡源前驱体。
具体地，所述活化丝瓜络的制备方法为：剪成多个直径2.5cm，厚度2-5mm的圆薄片，然后将其放进沸水中沸煮30min后取出,用蒸馏水充分冲洗干净，放入质量分数30％的NaOH溶液中活化，加入一定量的乙醇或丙醇，使乙醇或丙醇的质量为20％，于常温下碱化62小时，然后放入700W的微波中间歇辐射10min后，于80℃恒温水浴中回流3小时，用去离子水洗涤产物若干次，直至洗涤呈中性，真空抽滤，得到活化丝瓜络，将活化的丝瓜络剪碎、研磨成活化丝瓜络颗粒。
具体地，所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠(CMC)或聚四氟乙烯(PTFE)。
具体地，所述负极集流板采用铜箔或者镍箔。
具体地，所述喷雾干燥，设备设置参数为推进速度设为0.5ml/h，喷头到接收器的距离为10cm，在25kV的高压电场下进行静电喷雾。
实施例3
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池，包括电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳、负极片，所述负极片采用石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料制备的负极浆料制成。
一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料
取10g锡源前驱体、3g活化丝瓜络颗粒进行研磨混合，然后分散到300ml的去离子水中，并加入表面活性剂，用超声分散的方法使其充分分散，然后以石墨烯作为碳源，利用喷雾干燥机进行喷雾，在进口温度200℃，出口温度为110℃下，喷雾形成前驱体，在氩气氛围下1000℃烧结，自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，在真空烘箱中干燥24h，得到石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料；
步骤二、制备负极浆料
称取8g石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料、1.2g粘结剂、1.1g导电炭黑，放入烧杯中，在磁力搅拌器上，边搅拌边滴加去离子水，至材料均匀混合成黑色糊状浆料，继续搅拌4h，得到负极浆料；
步骤三、制备负极片
将负极浆料涂抹在清洁的负极集流板上，置于干燥箱中，在100℃下，烘干12h，将干燥好的负极片放置在模具中，在8Mpa压力下按压3min，得到负极片；
步骤四、组装锂离子电池
选用现有技术中的电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳，本申请中制备的负极片，按照现有技术中的安装方法进行组装，将组装好的电池用封口机封口，静置24h以上，使电解液与电极材料充分接触，制得石墨烯锂离子电池。
具体地，所述锡源前驱体的制备方法为：称取一定质量的柠檬酸、氯化亚锡和氯化钠粉末、置于烧杯中，加入适量的去离子水，用磁力搅拌器搅拌至粉末完全溶解，得到无色透明体，将无色透明液体转入培养皿中，冷冻12h，待完全冷冻后转移至冻干机中，于-50℃中进行冷冻干燥，得到白色粉末，经研磨后得到白色锡源前驱体。
具体地，所述活化丝瓜络的制备方法为：剪成多个直径2.5cm，厚度2-5mm的圆薄片，然后将其放进沸水中沸煮30min后取出,用蒸馏水充分冲洗干净，放入质量分数30％的NaOH溶液中活化，加入一定量的乙醇或丙醇，使乙醇或丙醇的质量为20％，于常温下碱化72小时，然后放入700W的微波中间歇辐射10min后，于80℃恒温水浴中回流3小时，用去离子水洗涤产物若干次，直至洗涤呈中性，真空抽滤，得到活化丝瓜络，将活化的丝瓜络剪碎、研磨成活化丝瓜络颗粒。
具体地，所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠(CMC)或聚四氟乙烯(PTFE)。
具体地，所述负极集流板采用铜箔或者镍箔。
具体地，所述喷雾干燥，设备设置参数为推进速度设为0.5ml/h，喷头到接收器的距离为10cm，在25kV的高压电场下进行静电喷雾。
本发明不局限于所述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池，包括电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳、负极片，其特征在于：所述负极片采用石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料制备的负极浆料制成。
2.一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯包覆硬碳/锡微球复合材料
取10g锡源前驱体、2-3g活化丝瓜络颗粒进行研磨混合，然后分散到300ml的去离子水中，并加入表面活性剂，用超声分散的方法使其充分分散，然后以石墨烯作为碳源，利用喷雾干燥机进行喷雾，在进口温度200℃，出口温度为110℃下，喷雾形成前驱体，在氩气氛围下700-1000℃烧结，自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，在真空烘箱中干燥20-24h，得到石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料；
步骤二、制备负极浆料
称取8g石墨烯包覆硬碳/锡微球的复合材料、1-1.2g粘结剂、1-1.2g导电炭黑，放入烧杯中，在磁力搅拌器上，边搅拌边滴加去离子水，至材料均匀混合成黑色糊状浆料，继续搅拌4h，得到负极浆料；
步骤三、制备负极片
将负极浆料涂抹在清洁的负极集流板上，置于干燥箱中，在80-100℃下，烘干12h，将干燥好的负极片放置在模具中，在8Mpa压力下按压3min，得到负极片；
步骤四、组装锂离子电池
将电池背壳、弹簧、垫片、正极片、隔膜纸、电池壳、负极片，进行组装，充入电解液，将组装好的电池用封口机封口，静置24h以上，使电解液与电极材料充分接触，制得石墨烯锂离子电池。
3.根据权利要求2所述的一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，其特征在于：所述锡源前驱体的制备方法为：称取一定质量的柠檬酸、氯化亚锡和氯化钠粉末、置于烧杯中，加入适量的去离子水，用磁力搅拌器搅拌至粉末完全溶解，得到无色透明体，将无色透明液体转入培养皿中，冷冻12h，待完全冷冻后转移至冻干机中，于-50℃中进行冷冻干燥，得到白色粉末，经研磨后得到白色锡源前驱体。
4.根据权利要求2所述的一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，其特征在于：所述活化丝瓜络的制备方法为：剪成多个直径2.5cm，厚度2-5mm的圆薄片，然后将其放进沸水中沸煮30min后取出,用蒸馏水充分冲洗干净，放入质量分数30％的NaOH溶液中活化，加入一定量的乙醇或丙醇，使乙醇或丙醇的质量为20％，于常温下碱化48-72小时，然后放入700W的微波中间歇辐射10min后，于80℃恒温水浴中回流3小时，用去离子水洗涤产物若干次，直至洗涤呈中性，真空抽滤，得到活化丝瓜络，将活化的丝瓜络剪碎、研磨成活化丝瓜络颗粒。
5.根据权利要求2所述的一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，其特征在于：所述粘结剂采用羧甲基纤维素钠(CMC)或聚四氟乙烯(PTFE)。
6.根据权利要求2所述的一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，其特征在于：所述负极集流板采用铜箔或者镍箔。
7.根据权利要求2所述的一种大容量快速充放电石墨烯锂离子电池的其合成工艺，其特征在于：所述喷雾干燥，设备设置参数为推进速度设为0.5ml/h，喷头到接收器的距离为10cm，在25kV的高压电场下进行静电喷雾。
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