專利名稱：一種由植物纖維制備鋰電材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋰電材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種由植物纖維制備鋰電材料的方法。
背景技術(shù)：
自從上世 紀(jì)90年代鋰離子電池問世以來，作為第三代可充電電池已展現(xiàn)出比能量大、循環(huán)性能好、工作電壓高、壽命長和污染小等優(yōu)異性能而倍受關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于各種輕型便攜設(shè)備中，在二次電池中具有舉足輕重的地位。然而，近年來，伴隨著電動(dòng)車的出現(xiàn)，對(duì)大功率、高容量二次電池需求加劇，對(duì)鋰離子電池材料和鋰離子電池生產(chǎn)工藝的要求越來越高，不斷開發(fā)具有高存儲(chǔ)密度、安全可行、價(jià)格低廉的鋰離子電池材料，并進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝等成為鋰離子電池行業(yè)面臨的主要問題。目前，商業(yè)化的鋰離子電池碳負(fù)極材料主要是碳材料，其他新型的材料還仍然處于研究階段。碳負(fù)極鋰離子電池在安全和循環(huán)壽命方面顯示出較好的性能，并且碳材料價(jià)廉、無毒，目前商品鋰離子電池廣泛采用碳負(fù)極材料。眾所周知，碳材料種類繁多，目前研究得較多且較為成功的碳負(fù)極材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦和裂解碳等。但是這些材料存在理論容量低等缺陷，影響了鋰離子電池材料的發(fā)展。因此，對(duì)于新型鋰離子電池材料的研究工作方興未艾，研究表明有多種金屬合金、金屬氧化物、多元復(fù)合材料等在鋰離子電池負(fù)極材料方面有巨大的應(yīng)用情景，其中部分材料被認(rèn)為是可能代替當(dāng)前碳負(fù)極材料的理想材料。但是由于現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下研究的許多新型負(fù)極材料存在多種缺陷，如體積膨脹現(xiàn)象、導(dǎo)電性差等問題，這些缺陷直接限制了其在鋰離子電池方面的廣泛應(yīng)用。研究表明，制備復(fù)合納米材料可以有效地改善部分新型鋰離子電池負(fù)極材料的的應(yīng)用狀況。如制備錫碳復(fù)合納米材料可以有效地抑制錫材料在鋰離子充放電過程中的體積變化現(xiàn)象，改善錫材料的鋰電性能。但是現(xiàn)有的制備復(fù)合材料的方法大多工藝復(fù)雜，而只是局限在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，并且其原料成本昂貴，離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

發(fā)明內(nèi)容
為促進(jìn)鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決現(xiàn)有商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料容量低和新型鋰離子電池負(fù)極材料難以應(yīng)用的問題，本發(fā)明提供一種由植物纖維制備鋰電材料的方法，充分利用天然植物纖維來源充分、具有微納孔隙結(jié)構(gòu)并且經(jīng)過高溫處理可以轉(zhuǎn)化為碳材料等優(yōu)點(diǎn)，將其他新型鋰離子電池活性材料與植物纖維復(fù)合，制備出復(fù)合材料，為改善鋰離子電池的制備工藝、開發(fā)新型鋰離子電池材料提供支持，有利于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種由植物纖維制備鋰電材料的方法，以植物纖維為原料，通過粉化、純化、負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)、碳化過程制備鋰離子電池電極材料。所述的植物纖維包括天然形成的植物纖維和后期經(jīng)人工加工的植物纖維，其經(jīng)過惰性氣體充分高溫碳化處理后含碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%-100%。所述的粉化過程是將植物纖維粉碎為10-104目的顆粒或1-2000微米長的纖維。
所述的純化過程是去除植物纖維中的果膠質(zhì)、樹膠質(zhì)和金屬離子。所述的負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)過程是在植物纖維內(nèi)部空隙或纖維表面負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)，該過程通過水熱法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、熱分解法中的一種或幾種方法的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。所述的碳化過程是對(duì)材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚硎褂袡C(jī)成分充分碳化最終得到鋰離子電池電極材料。一種如上所述的方法制得的鋰電材料具有碳材料和其他材料相互鑲嵌的具有維納結(jié)構(gòu)的材料。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于通過本發(fā)明提供的方法制備鋰離子電池材料，可以充分發(fā)揮新型鋰離子電池較高的理論容量、循環(huán)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地解決新型鋰離子電池材料體積變化、導(dǎo)電性差等問題，最終制備出的相互鑲嵌的具有微納機(jī)構(gòu)的材料可以保證材料的在鋰離子電池充放電過程中充分反應(yīng)，該發(fā)明對(duì)于改善新型鋰離子電池的鋰電性能有促進(jìn)作用。另外該發(fā)明以植物纖維為主要原料，該原料處理非常豐富，在生產(chǎn)過程中方便可行、無污染，本發(fā)明可以為生產(chǎn)鋰離子電池材料提供一種簡(jiǎn)單可行的方法，具有巨大的應(yīng)用前景。


圖1是植物纖維的形貌示意圖，其中I為植物纖維結(jié)構(gòu)。圖2是植物纖維負(fù)載其他鋰離子電池活性物質(zhì)的形貌示意圖，其中2為植物纖維表面或內(nèi)部負(fù)載的鋰離子電池活性物質(zhì)，3為碳纖維。圖3是負(fù)載錫基材料的棉纖維的SEM圖片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖更全面描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以不同形式實(shí)現(xiàn)，且不應(yīng)解釋為僅限于此處所闡述的實(shí)施例。(I)選取棉纖維為原料，棉纖維是主要成分為纖維素，每根棉纖維都由多級(jí)纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其內(nèi)部存在許多孔隙結(jié)構(gòu)。首先對(duì)自然成熟的纖維經(jīng)過去離子水、酒精清洗處理，清洗過程中輔以超聲處理。然后將棉纖維在70°C鼓風(fēng)烘箱中干燥處理。最后將棉纖維粉碎成長度約Imm的纖維小段。(2)通過化學(xué)方法，對(duì)棉纖維進(jìn)行純化處理，去除植物纖維中的果膠質(zhì)、樹膠質(zhì)、金屬離子等物質(zhì)。首先將粉碎的棉纖維小段浸泡在O. 75M的NaOH溶液中，在80°C水浴條件下處理5小時(shí)，之后用去離子水沖洗。然后將棉纖維小段浸泡于10%的硝酸溶液中，室溫?cái)嚢杼幚?小時(shí)。最后對(duì)棉纖維小段進(jìn)行清洗、干燥處理。(3)以SnCl2為主要原料，在棉纖維上負(fù)載氧化錫納米顆粒。取(2)中得到的棉纖維小段O. 2g，將其浸泡于O. 5M的SnCl2乙醇溶液中，室溫靜置24小時(shí)。將浸泡后的棉纖維小段材料轉(zhuǎn)移至IOOml的水熱反應(yīng)爸中，加入浸泡過棉纖維材料的SnCl2乙醇溶液至60ml左右，加入幾滴氨水，以180°C水浴處理24小時(shí)。(4)水浴處理后，對(duì)所生產(chǎn)的復(fù)合材料進(jìn)行清洗、干燥處理。最后將材料在管式爐中以500°C氬氣保護(hù)熱處理2小時(shí)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍`。
權(quán)利要求
1.一種由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于以植物纖維為原料，通過粉化、純化、負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)、碳化過程制備鋰離子電池電極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于所述的植物纖維包括天然形成的植物纖維和后期經(jīng)人工加工的植物纖維，其經(jīng)過惰性氣體充分高溫碳化處理后含碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%-100%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于所述的粉化過程是將植物纖維粉碎為10-104目的顆粒或1-2000微米長的纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于所述的純化過程是去除植物纖維中的果膠質(zhì)、樹膠質(zhì)和金屬離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于所述的負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)過程是在植物纖維內(nèi)部空隙或纖維表面負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)，該過程通過水熱法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、熱分解法中的一種或幾種方法的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于所述的碳化過程是對(duì)材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚硎褂袡C(jī)成分充分碳化最終得到鋰離子電池電極材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由植物纖維制備鋰電材料的方法，其特征在于包括以下步驟 (I)選取棉纖維為原料，經(jīng)過去離子水、酒精清洗處理，清洗過程中輔以超聲處理，然后將棉纖維在70°C鼓風(fēng)烘箱中干燥處理，最后將棉纖維粉碎成長度1_的纖維小段； (2 )將粉碎的棉纖維小段浸泡在O. 75M的NaOH溶液中，在80°C水浴條件下處理5小時(shí)，之后用去離子水沖洗，然后將棉纖維小段浸泡于IOwt. %的硝酸溶液中，室溫?cái)嚢杼幚?小時(shí)，最后對(duì)棉纖維小段進(jìn)行清洗和干燥處理； (3)取步驟(2)中得到的棉纖維小段O.2g，將其浸泡于O. 5M的SnCl2的乙醇溶液中，室溫靜置24小時(shí)，將浸泡后的棉纖維小段材料轉(zhuǎn)移至IOOmL的水熱反應(yīng)釜中，加入浸泡過棉纖維材料的SnCl2的乙醇溶液至60mL，加入氨水，以180°C水浴處理24小時(shí)； (4)水浴處理后，將材料在管式爐中以500°C氬氣保護(hù)熱處理2小時(shí)。
8.—種如權(quán)利要求1所述的方法制得的鋰電材料，其特征在于所述的鋰電材料是具有碳材料和其他材料相互鑲嵌的具有維納結(jié)構(gòu)的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由植物纖維制備鋰電材料的方法，是以植物纖維為原料，通過粉化、純化、負(fù)載鋰離子電池活性物質(zhì)、碳化過程制備鋰離子電池電極材料。通過本發(fā)明公開的方案可以非常方便地制備出具有微納鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并且原材料來源非常廣泛。本發(fā)明可以為改善鋰離子電池的制備工藝、開發(fā)新型鋰離子電池材料提供支持，有利于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
文檔編號(hào)H01M4/60GK103066294SQ20131003042
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者楊尊先 申請(qǐng)人:福州大學(xué)