CN113942992A - 一种无定型碳的制备方法 - Google Patents
一种无定型碳的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113942992A CN113942992A CN202111152691.3A CN202111152691A CN113942992A CN 113942992 A CN113942992 A CN 113942992A CN 202111152691 A CN202111152691 A CN 202111152691A CN 113942992 A CN113942992 A CN 113942992A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- precursor
- temperature
- amorphous carbon
- mixed system
- anode material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及电池负极材料制备技术领域,公开了一种无定形碳负极材料的制备方法,采用乳液聚合对硬碳前驱体表面包覆聚合物,经过高温烧结得到球形硬碳材料,本发明采用的包覆方法可使硬碳前驱体在烧结时保持球形度,最终得到的球形硬碳材料性能均一稳定,加工性能良好,首次放电比容量高于400mAh/g。
Description
技术领域
本发明涉及电池负极材料制备技术领域,尤其涉及一种无定形碳负极材料的制备方法。
背景技术
负极指电源中电位(电势)较低的一端。在原电池中,是指起氧化作用的电极,从物理角度来看,是电路中电子流出的一极。
而负极材料,则是指电池中构成负极的原料,目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。
锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成,锂离子电池能否成功地制成,关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。
一般来说,选择一种好的负极材料应遵循以下原则:比能量高、相对锂电极的电极电位低、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、在空气中稳定和无毒副作用。目前,已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料,如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。
碳负极材料广泛应用于商品化锂离子电池,碳材料具有比容量高、成本低、循环寿命长等优点。可用于锂离子电池的碳负极材料主要有石墨及无定型碳,人工制造的碳材料存在着不同程度的无序性结构,其中低温碳化制备的无定型碳质材料的结晶性较低,通常被分成两类:软碳(可石墨化碳)和硬碳(不可石墨化碳)。
其中,软碳的结晶度低,晶粒尺寸小,与电解液相容性好;硬碳具有较高的可逆比容量,快速充放电性能好。无定型碳材料相比传统石墨负极材料,具有更高的比容量以及更好的快充性能,近年作为具有替代石墨材料潜力的新型材料被研究工作者所关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种首先通过乳液聚合制备表面包覆聚合物的软碳前驱体,再通过稳定化得到具有核壳结构的软碳前驱体,最后经过高温碳化得到具有核壳结构的无定形碳负极材料的制备方法。
本发明提供的一种无定形碳负极材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,称取预定数量的石油焦作为前驱体A,将前驱体A和设定量的蒸馏水、聚合物单体和作为乳化剂的十二烷基硫酸钠(SDS)一并加至反应釜中构成混合体系,并对反应釜抽真空,然后向反应釜中通入氮气、以及对混合体系进行搅拌,待混合体系搅拌30~120分钟后,将混合体系加热到60~70°C并在此温度下以0.5g/min的速率加入作为引发剂的过硫酸铵水溶液进行3~5小时的反应,反应结束后继续对反应后的混合体系搅拌、冷却,待冷却至50°C以下,加入破乳用的甲醇,过滤得到聚合物/石油焦复合的前驱体B;
步骤2,在氮气环境下将步骤1中得到的前驱体B低温预碳碳化处理5~10个小时,获得前驱体C,低温预碳碳化处理的焙烧温度不高于800°C;
步骤3,在氮气环境下将步骤2中得到的前驱体C高温碳化处理,获得具有核壳结构的无定形碳负极材料,高温碳化处理的焙烧温度不低于1000°C。
优选地,所述石油焦的比表面积为2~10m2/g。
优选地,步骤1中,前驱体A的投料量为每1L蒸馏水中投入200~1000g前驱体A。
所述步骤1中,聚合物单体(monomer;momer)是能与同种或他种分子聚合的小分子的统称,是能起聚合反应或缩聚反应等而成高分子化合物的简单化合物,是合成聚合物所用的-低分子的原料,本方案中,优选地,聚合物单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸酯中的一种或者几种的任意比例混合。
所述步骤1中,前驱体A与聚合物单体的投入质量比为100:(10~30)。
所述步骤1中,十二烷基硫酸钠(SDS)的投入量为每1L蒸馏水中投入2~4g十二烷基硫酸钠(SDS)。
所述步骤1中,过硫酸铵水溶液(10%浓度)的加入量为每1L蒸馏水中投入0.2~2g过硫酸铵水溶液。
所述步骤2中,低温预碳碳化处理的焙烧温度为400~800°C。
所述步骤3中,高温碳化处理的焙烧温度为1000~1400°C。
与现有技术方案相比本发明的技术方案至少具有以下优点:
1、本发明通过乳液聚对软碳前驱体进行包覆,最终烧结所得产物为软碳、硬碳混合物,兼具两者优点。
2、本发明的乳液聚合过程在包覆聚合物的同时防止软碳前驱体的团聚,得到的产品尺寸均匀、加工性能好。
3、本发明采制备的无定形碳负极材料具有较高的充放电容量。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚,附图中:
图1是实施例4中无定形碳负极材料首次充放电曲线图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案,需要说明的是,本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供了一种无定形碳负极材料的制备方法,包含以下步骤:
步骤1,称取200g比表面积为3m2/g的石油焦作为前驱体A。
步骤2,在反应釜中加入前驱体A和1L蒸馏水,然后加入60g单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和2g作为乳化剂的十二烷基硫酸钠(SDS)构成混合体系,对反应釜内抽真空后通氮气并搅拌,待混合体系搅拌30分钟后加热到60°C,在此温度下以0.5g/min的速率加入作为引发剂的2g过硫酸铵水溶液(10%浓度),待反应3小时后停止加热,反应结束后继续搅拌,待冷却后加入甲醇进行破乳,再用大量甲醇沉淀,过滤得到PMMA(聚合物)/石油焦复合前驱体B。该步骤中,加入的前驱体A越少,聚合物单体量越多,则包覆量越多;乳化剂加入量以体系充分乳化为准;引发剂加入量越多,则聚合物分子量越低;使用甲醇的量以能够使前驱体充分沉淀为准。
步骤3,将步骤2中得到的前驱体B在氮气环境下500℃焙烧7个小时,获得前驱体C。
步骤4,将步骤3中的前驱体C在氮气环境下1000℃碳化,获得具有核壳结构的无定形碳负极材料。
实施例2
一种无定形碳负极材料的制备方法,包含以下步骤:
步骤1,称取400g比表面积为5m2/g的石油焦作为前驱体A加入反应釜。
步骤2,在反应釜中加入1L蒸馏水,然后加入60g单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和2.5g作为乳化剂的十二烷基硫酸钠(SDS)构成混合体系,对反应釜内抽真空后通氮气并搅拌,待混合体系搅拌90分钟后加热到60°C,在此温度下以0.5g/min的速率加入作为引发剂的5g过硫酸铵水溶液(10%浓度),待反应3小时后停止加热,反应结束后继续搅拌,待冷却后加入甲醇进行破乳,再用大量甲醇沉淀,过滤得到PMMA/石油焦复合前驱体B。该步骤中,加入的前驱体A越少,聚合物单体量越多,则包覆量越多;乳化剂加入量以体系充分乳化为准;引发剂加入量越多,则聚合物分子量越低;使用甲醇的量以能够使前驱体充分沉淀为准。
步骤3,将步骤2中得到的前驱体B在氮气环境下550℃焙烧7个小时,获得前驱体C。
步骤4,将步骤3中得到的前驱体C在氮气环境下1150℃碳化,获得具有核壳结构的无定形碳负极材料。
实施例3
一种无定形碳负极材料的制备方法,包含以下步骤:
步骤1,称取700g比表面积为7m2/g的石油焦作为前驱体A。
步骤2,在反应釜中加入前驱体A和1L蒸馏水,然后加入70g单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和3g作为乳化剂的十二烷基硫酸钠(SDS)构成混合体系,对反应釜内抽真空后通氮气并搅拌,待混合体系搅拌30分钟后加热到70°C,在此温度下以0.5g/min的速率加入作为引发剂的4g过硫酸铵水溶液(10%浓度),待反应4小时后停止加热,反应结束后继续搅拌,待冷却后加入甲醇进行破乳,再用大量甲醇沉淀,过滤得到PMMA/石油焦复合前驱体B。该步骤中,加入的前驱体A越少,聚合物单体量越多,则包覆量越多;乳化剂加入量以体系充分乳化为准;引发剂加入量越多,则聚合物分子量越低;使用甲醇的量以能够使前驱体充分沉淀为准。
步骤3,将步骤2中得到的前驱体B在氮气环境下800℃焙烧8个小时,获得前驱体C。
步骤4,将步骤3中得到的前驱体C在氮气环境下1350℃碳化,获得具有核壳结构的无定形碳负极材料。
实施例4
一种无定形碳负极材料的制备方法,包含以下步骤:
步骤1,称取700g比表面积为7m2/g的石油焦作为前驱体A。
步骤2,在反应釜中加入前驱体A和1L蒸馏水,然后加入140g单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)和3g作为乳化剂的十二烷基硫酸钠(SDS)构成混合体系,对反应釜内抽真空后通氮气并搅拌,待混合体系充分乳化后加热到70°C,在此温度下以0.5g/min的速率加入作为引发剂的4g过硫酸铵水溶液(10%浓度),待反应4小时后停止加热,反应结束后继续搅拌,待冷却后加入甲醇进行破乳,再用大量甲醇沉淀,过滤得到PMMA/石油焦复合前驱体B。该步骤中,加入的前驱体A越少,聚合物单体量越多,则包覆量越多;乳化剂加入量以体系充分乳化为准;引发剂加入量越多,则聚合物分子量越低;使用甲醇的量以能够使前驱体充分沉淀为准。
步骤3,将步骤2中得到的前驱体B在氮气环境下750℃焙烧8个小时,获得前驱体C。
步骤4,将步骤3中得到的前驱体C在氮气环境下1250℃碳化,获得具有核壳结构的无定形碳负极材料。
将步骤4所获得的无定形碳负极材料,与导电剂碳黑和粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1混合,加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)调制成浆料,并均匀涂覆在铜箔上,在100°C真空中干燥12小时后用压片机将极片压制均匀得到待测极片。
以锂片为对电极,电解液是LiPF6浓度为1mol/L的乙基碳酸酯(EC)与二甲基碳酸酯(DMC)按照1:1的体积比混合的溶液,隔膜采用型号为celgard2325的电池隔膜,在氩气气氛的手套箱内,采用上述实施例1-4中的负极材料装配成CR2032型纽扣电池。
经过测试,装配成的电池在0-2.5V电压范围做恒电流充放电测试,在0.1C倍率下,首次嵌锂比容量可达到546.5mAh/g,首次脱锂比容量可达到447.0mAh/g。而作为对照,将纯石油焦经上述实施例1-4中的步骤3、步骤4相同条件下烧结,并在相同条件下制作纽扣电池并进行充放电测试,在0.1C倍率下,首次嵌锂比容量只能达到288.5mAh/g,首次脱锂比容量只能达到237.9mAh/g。
即,采用本发明制备的无定形碳负极材料,使电池具有更高的充放电容量。
Claims (9)
1.一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,称取预定数量的石油焦作为前驱体A,将前驱体A和设定量的蒸馏水、聚合物单体和作为乳化剂的十二烷基硫酸钠(SDS)一并加至反应釜中构成混合体系,并对反应釜抽真空,然后向反应釜中通入氮气、以及对混合体系进行搅拌,待混合体系搅拌30~120分钟后,将混合体系加热到60~70°C并在此温度下以0.5g/min的速率加入作为引发剂的过硫酸铵水溶液进行3~5小时的反应,反应结束后继续对反应后的混合体系搅拌、冷却,待冷却至50°C以下后加入破乳用的甲醇,过滤得到聚合物/石油焦复合的前驱体B;
步骤2,在氮气环境下将步骤1中得到的前驱体B低温预碳碳化处理5~10个小时,获得前驱体C,低温预碳化处理的焙烧温度不高于800°C;
步骤3,在氮气环境下将步骤2中得到的前驱体C高温碳化处理,获得具有核壳结构的无定形碳负极材料,高温碳化处理的焙烧温度不低于1000°C。
2.如权利要求1所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述石油焦的比表面积为2~10m2/g。
3.如权利要求1或2所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:步骤1中,前驱体A的投料量为每1L蒸馏水中投入200~1000g前驱体A。
4.如权利要求3所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1中,聚合物单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸酯中的一种或者几种的任意比例混合。
5.如权利要求1或2所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1中,所述步骤1中,前驱体A与聚合物单体的投入质量比为100:(10~30)。
6.如权利要求1或2所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1中,十二烷基硫酸钠(SDS)的投入量为每1L蒸馏水中投入2~4g十二烷基硫酸钠(SDS)。
7.如权利要求1或2所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1中,过硫酸铵水溶液的加入量为每1L蒸馏水中投入0.2~2g过硫酸铵水溶液。
8.如权利要求1所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤2中,低温预碳碳化处理的焙烧温度为400~800°C。
9.如权利要求1所述的一种无定形碳负极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤3中,高温碳化处理的焙烧温度为1000~1400°C。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111152691.3A CN113942992B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一种无定型碳的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111152691.3A CN113942992B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一种无定型碳的制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113942992A true CN113942992A (zh) | 2022-01-18 |
CN113942992B CN113942992B (zh) | 2023-05-12 |
Family
ID=79329150
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111152691.3A Active CN113942992B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一种无定型碳的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113942992B (zh) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002255529A (ja) * | 2001-03-02 | 2002-09-11 | Samsung Sdi Co Ltd | 炭素質材料及びリチウム二次電池 |
KR20170069163A (ko) * | 2015-12-10 | 2017-06-20 | 주식회사 엘지화학 | 리튬 이차전지용 음극활물질의 제조 방법 및 이를 적용한 리튬 이차전지 |
CN108242546A (zh) * | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 神华集团有限责任公司 | 一种无定型碳负极材料及其制备方法和电池 |
CN108270007A (zh) * | 2017-01-03 | 2018-07-10 | 神华集团有限责任公司 | 含碳原料组合物及其应用和碳材料及其制备方法和应用以及锂离子电池负极和锂离子电池 |
CN108832092A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-11-16 | 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 | 核壳结构多元复合材料、其制备方法及包含该多元复合材料的锂离子电池 |
CN109755581A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-14 | 湖南中科星城石墨有限公司 | 一种弹性碳材料包覆结构及其包覆工艺 |
CN111392771A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-10 | 复旦大学 | 壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料及其制备和应用 |
-
2021
- 2021-09-29 CN CN202111152691.3A patent/CN113942992B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002255529A (ja) * | 2001-03-02 | 2002-09-11 | Samsung Sdi Co Ltd | 炭素質材料及びリチウム二次電池 |
KR20170069163A (ko) * | 2015-12-10 | 2017-06-20 | 주식회사 엘지화학 | 리튬 이차전지용 음극활물질의 제조 방법 및 이를 적용한 리튬 이차전지 |
CN108242546A (zh) * | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 神华集团有限责任公司 | 一种无定型碳负极材料及其制备方法和电池 |
CN108270007A (zh) * | 2017-01-03 | 2018-07-10 | 神华集团有限责任公司 | 含碳原料组合物及其应用和碳材料及其制备方法和应用以及锂离子电池负极和锂离子电池 |
CN108832092A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-11-16 | 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 | 核壳结构多元复合材料、其制备方法及包含该多元复合材料的锂离子电池 |
CN109755581A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-14 | 湖南中科星城石墨有限公司 | 一种弹性碳材料包覆结构及其包覆工艺 |
CN111392771A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-10 | 复旦大学 | 壳层形貌可控的核壳结构氮掺杂碳包覆二氧化钛微球复合材料及其制备和应用 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
史继诚等: "《综合化学实验》", 28 February 2014, 北京交通大学出版社 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113942992B (zh) | 2023-05-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101515640B (zh) | 一种负极和包括该负极的锂离子二次电池 | |
CN110010903B (zh) | 正极极片及电池 | |
CN102376941B (zh) | 一种负极活性材料的制备方法、一种负极材料及锂离子电池 | |
US8802289B2 (en) | Composition for electrode comprising an iron compound with carbon and a (meth)acrylate-nitrile copolymer | |
CN109119592B (zh) | 一种钛酸锂负极极片、制备方法及钛酸锂电池 | |
CN107026262B (zh) | 表面石墨烯包覆的高容量球形硬炭负极材料 | |
JP2971451B1 (ja) | リチウム二次電池 | |
CN108493419B (zh) | 一种温度敏感复合电极及其制备方法 | |
TW201306362A (zh) | 鋰蓄電池用正極活性物質之製造方法 | |
CN112701277A (zh) | 一种锂离子电池预锂化添加剂及其应用 | |
JPH0982325A (ja) | 正極活物質の製造方法 | |
KR20210004983A (ko) | 축전 디바이스용 바인더 조성물, 축전 디바이스 전극용 슬러리 조성물, 축전 디바이스용 전극, 및 축전 디바이스 | |
CN107482188B (zh) | 一种中空核壳结构复合材料及其制备方法与应用 | |
CN114551826B (zh) | 包覆改性的钴酸锂材料及其制备方法、正极片及锂离子电池 | |
CN113707883A (zh) | 一种有机包覆层及含有该包覆层的电极活性材料和锂离子电池 | |
CN112447971B (zh) | 一种正极材料添加剂、活性材料、正极材料及其制备和在锂离子电池中的应用 | |
CN105845886A (zh) | 一种离子电池负极材料及其制备方法 | |
CN115295802A (zh) | 一种胶粘剂及其制备方法和在锂离子电池中的应用 | |
KR20200115052A (ko) | 황계 활물질 | |
CN114447321A (zh) | 一种正极材料及包括该材料的正极片和电池 | |
CN114171729A (zh) | 一种石墨烯基磷酸铁锂正极材料的制备方法 | |
CN107154491B (zh) | 一种高效能的锂离子电池正极材料及其制备方法和应用 | |
CN107104224A (zh) | 一种磷酸铁锂正极材料制备方法 | |
CN115275196A (zh) | 一种导电粘结剂及其制备方法、正极片和二次电池 | |
CN115411253A (zh) | 碳包覆一维氟化亚铁正极材料及其制备方法和应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |