CN112194126A - 一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,以有机物为炭源,采用水溶性盐为模板,在惰性气氛中高温炭化,水洗去除模板,形成多孔结构;加入碱为催化剂,在高温炭化过程中催化造孔,酸洗去除残余杂质,进一步扩孔及形成微孔结构,构建出兼具微‑中‑大孔结构的多孔炭材料,大量微孔为锂离子提供了嵌入位置,有利于提高其充放电容量,孔径稍大的中孔作为锂离子进入炭材料内部的快速传输通道,而大孔可作为的离子缓冲存储器,在大倍率充放电时提供缓冲。且炭材料炭源广泛,水溶性模板去除容易,并可重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及电池材料领域,具体涉及一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池的主要由正极材料、负极材料、电解液及隔膜组成,其中,锂离子电池在充电时,锂离子充电时,锂离子从富锂的正极材料(一般为多元富锂化合物,如钴酸锂,磷酸铁锂等)转移到负极材料(可脱嵌锂材料)中,伴随着锂离子的脱出和嵌入。同样,电池放时,锂离子从负极材料中转移到正极材料,恢复未充电时的状态。由于在充放电时锂离子是在正负极之间来回迁移,所以锂离子电池通常又称“摇椅电池”。
而在负极材料的选择上,除了要求其具有较高的可逆比容量外,负极材料的嵌锂电位、脱嵌锂过程体积变化率、导电性及其成本等都成为非常重要的考察因素。可形成合金化的材料,如单质硅、锡、锗等,在充放电过程中体积变化较大,循环性能较差,往往需要特殊的纳米结构作为缓冲,制备方法复杂,且成本较高。目前商业化使用的石墨材料,其理论容量较低(只有372mAh/g),难以满足电池能量密度不断提升的需要,因此开发新型负极材料成为目前研究的热点之一。
发明内容
为克服现有负极材料存在的容量低,或制备困难、成本高,或循环稳定性差的缺点,本发明的目的在于提供一种可逆容量高、成本低,适合大电流充放电的锂电池负极用多孔炭材料的制备方法。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,包括以下步骤:
1)以含炭有机物与去离子水配制得到的质量浓度为10%-50%炭源溶液,与作为模板的水溶性盐充分混合、烘干、研磨,得到混合物A;含炭有机物与模板的质量比为1:10-2:1;
2)将混合物A在惰性气氛中高温炭化,得到产物B;
3)将产物B水洗去除模板,然后烘干得到产物C;
4)向产物C中加入碱作为催化剂进行充分混合,产物C与碱催化剂的质量比例为10:1-1:2,得到混合物D;
5)将混合物D在惰性气氛中高温炭化,得到产物E;
6)向产物E中加入稀酸溶液去除残余杂质,水洗烘干即得到兼具微孔、中孔和大孔的锂离子电池负极多孔炭材料F。
进一步地,所述含炭有机物为酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖或聚乙烯醇。
进一步地,所述模板为NaCl、Na2SO4或MgSO4。
进一步地,所述步骤2)的炭化条件为:惰性气氛为N2或Ar,或者两者的混合气,炭化温度为500-700℃,炭化时间1-2小时;所述步骤5)的炭化条件为:惰性气氛为N2或Ar,或者两者的混合气,炭化温度为600-900℃,炭化时间1-3小时。
进一步地,所述催化剂为NaOH或KOH。
进一步地,所述稀酸溶液为HNO3溶液、HCl溶液和醋酸溶液中的一种或多种的混合。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
可溶性盐在与炭源溶液充分混合并烘干之后,可溶性盐可结晶形成不同尺寸的纳米颗粒,在进一步炭化过程中,盐纳米颗粒自身不会分解,炭源在纳米颗粒表面炭化。后续水洗去除纳米颗粒模板后,模板所在位置转化为纳米孔道。后续采用碱作为催化剂活化,可进一步扩大纳米孔道尺寸形成中大孔。同时,催化剂会在炭材料表面活化产生大量微孔,最终形成兼具微-中-大孔结构的炭材料,其中大量微孔可为锂离子嵌入脱出提供大量活性位点,孔径稍大的中孔作为锂离子进入炭材料内部的快速传输通道,同时提供较大的电容容量,而大孔可在大倍率充放电时为离子传输提供缓冲。本发明制备方法炭源来源广泛,水溶性模板去除容易,并可重复使用,炭材料整体制备过程简单,成本较低。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图;其中1为炭源溶液,2为水溶性盐,3为混合物A,4为产物B,5为模板溶液,6为产物C,7为催化剂,8为混合物D,9为产物E,10为稀酸溶液,11为锂离子电池负极多孔炭材料。
图2为本发明的结构示意图;其中a为大孔,b为中孔,c为微孔。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述:
如图1,一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,在制备过程中以含炭有机物溶液为炭源溶液1,炭源溶液的质量浓度为10%-50%,采用水溶性盐2为模板,充分混合、烘干、研磨,得到混合物A3,含炭有机物与模板的质量比为1:10-2:1,在惰性气氛中高温炭化,得到产物4,产物4经水洗去除模板,所得液体为模板溶液5,所得固体烘干得到产物C6;向产物C6中加入碱催化剂7,产物C与碱催化剂的质量比例为10:1-1:2,进一步研磨混合,得到混合物D8,然后在惰性气氛中高温炭化,催化造孔,进一步扩孔及形成产物E9;然后加入稀酸溶液10去除残余杂质,从而得到兼具微孔c、中孔b和大孔a多级孔道结构的锂离子电池负极多孔炭材料11。
其中,含炭有机物包括但不限于如酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖和聚乙烯醇;模板包括但不限于NaCl、Na2SO4、MgSO4等;催化剂碱包括但不限于如NaOH、KOH;惰性气氛为N2或Ar,或者两者的混合气。炭化分为两步进行,第一步温度为500-700℃,炭化时间1-2小时;第二步温度为600-900℃,炭化时间1-3小时;去除催化剂杂质的稀酸溶液包括但不限于HNO3溶液、HCl溶液、醋酸溶液等,或多种酸的混酸溶液。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述:
实施例1
以可溶性酚醛树脂为炭源,配制成质量浓度为30%的炭源溶液,按照有机物炭源与模板比例为1:10加入的NaCl模板,充分混合,烘干、研磨。N2惰性气氛保护下,500℃炭化1h,冷却后水洗,去除模板;得到的产品烘干,按照质量比为10:1的比例加入NaOH作为碱催化剂,混合,继续在N2惰性气氛保护下,600℃炭化1h,用稀HNO3充分洗涤后,水洗烘干得到最终的多孔炭样品1。
实施例2
以葡萄糖为炭源,配制成质量浓度为50%的炭源溶液,按照有机物炭源与模板比例为2:1加入的Na2SO4模板,充分混合,烘干、研磨。Ar惰性气氛保护下,700℃炭化2h,冷却后水洗,去除模板;得到的产品烘干,按照质量比为1:2的比例加入KOH作为碱催化剂,混合,继续在Ar惰性气氛保护下,900℃炭化3h,用稀HCl充分洗涤后,水洗烘干得到最终的多孔炭样品2。
实施例3
以蔗糖为炭源,配制成质量浓度为10%的炭源溶液,按照有机物炭源与模板比例为1:1加入的MgSO4模板,充分混合,烘干、研磨。N2/Ar(50%/50%)混合惰性气氛保护下,600℃炭化1.5h,冷却后水洗,去除模板;得到的产品烘干,按照质量比为10:1的比例加入NaOH作为碱催化剂,混合,继续在N2/Ar(50%/50%)混合惰性气氛保护下,800℃炭化2h,用醋酸充分洗涤后,水洗烘干得到最终的多孔炭样品3。
实施例4
以聚乙烯醇为炭源,配制成质量浓度为50%的炭源溶液,按照有机物炭源与模板比例为2:1加入的NaCl模板,充分混合,烘干、研磨。N2惰性气氛保护下,700℃炭化2h,冷却后水洗,去除模板;得到的产品烘干,按照质量比为1:2的比例加入KOH作为碱催化剂,混合,继续在N2惰性气氛保护下,900℃炭化3h,用混酸(10%HCl+10%醋酸)充分洗涤后,水洗烘干得到最终的多孔炭样品4。
以上是对本发明进行的阐述,用于帮助理解本发明,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)以含炭有机物与去离子水配制得到的质量浓度为10%-50%炭源溶液,与作为模板的水溶性盐充分混合、烘干、研磨,得到混合物A;含炭有机物与模板的质量比为1:10-2:1;
2)将混合物A在惰性气氛中高温炭化,得到产物B;
3)将产物B水洗去除模板,然后烘干得到产物C;
4)向产物C中加入碱作为催化剂进行充分混合,产物C与碱催化剂的质量比例为10:1-1:2,得到混合物D;
5)将混合物D在惰性气氛中高温炭化,得到产物E;
6)向产物E中加入稀酸溶液去除残余杂质,水洗烘干即得到兼具微孔、中孔和大孔的锂离子电池负极多孔炭材料F。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,其特征在于,所述含炭有机物为酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖或聚乙烯醇。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,其特征在于,所述模板为NaCl、Na2SO4或MgSO4。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,其特征在于,所述步骤2)的炭化条件为:惰性气氛为N2或Ar,或者两者的混合气,炭化温度为500-700℃,炭化时间1-2小时;所述步骤5)的炭化条件为:惰性气氛为N2或Ar,或者两者的混合气,炭化温度为600-900℃,炭化时间1-3小时。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,其特征在于,所述催化剂为NaOH或KOH。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法,其特征在于,所述稀酸溶液为HNO3溶液、HCl溶液和醋酸溶液中的一种或多种的混合。
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