測(cè)試體系，金屬鋰片為對(duì)電極，電解液使用溶于有機(jī)溶劑中的IM LiPF6，在氬氣保護(hù)的手套箱中，組裝成鋰離子電池，并測(cè)試性能(下述實(shí)施案例中，制備模擬電池步驟如無(wú)特殊說(shuō)明，方法即與上述描述相同)。在高精度電池測(cè)試儀上考察鋰離子電池負(fù)極材料性能。測(cè)得電流密度為10mA g 1時(shí)充放電曲線如圖3，材料第二次放電容量為1553mAh g \達(dá)到目前商業(yè)化石墨負(fù)極理論容量(372mAh g')的4倍，在1000mA g1的大電流密度下循環(huán)150次后容量為468mAh g 1O
[0034]實(shí)施例2:碳納米管/氮摻雜碳復(fù)合材料的制備以及組裝成模擬電池的電化學(xué)性能測(cè)試。
[0035]將0.7g殼聚糖溶于115mL去離子水中，并加入lmol/L的稀鹽酸5mL幫助溶解，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫降S色或無(wú)色的澄清溶液A，其中殼聚糖濃度為0.58wt%0將50mg碳納米管在40mL去離子水中分散均勻得到分散液B，其中碳納米管濃度為0.2wt %，將溶液A和分散液B均勻混合攪拌過(guò)夜，在80°C下加熱攪拌至凝膠狀后，在鼓風(fēng)干燥箱中完全烘干得到前驅(qū)體粉體。取0.4g前驅(qū)體與4g氯化鋅粉末完全混合均勻后，在氬氣氛圍下600°C焙燒2h,自然降溫后用lmol/L的稀鹽酸和去離子水反復(fù)洗滌完全去除材料中的金屬鹽雜質(zhì)，烘干后得到最終產(chǎn)物。微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示，可以看出碳納米管穿插在殼聚糖碳化得到的氮摻雜多孔碳體相中，形成三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，有助于電子在高儲(chǔ)鋰活性的氮摻雜多孔碳體相中的傳導(dǎo)。在圖5中，氮?dú)馕摳角€顯示材料具有豐富的微孔和介孔，計(jì)算得到比表面積為1420!!!?^將材料組裝為鋰離子電池后，測(cè)試其鋰離子電池負(fù)極性能。圖6和圖7分別說(shuō)明，在10mA g 1的電流密度下材料二次放電容量能夠達(dá)到1168mAh g \而在1000mA g 1的大充放電流下循環(huán)150次后容量仍高達(dá)492mAh g \循環(huán)庫(kù)倫效率接近100%。
[0036]實(shí)施例3:碳納米管/多孔碳復(fù)合材料的制備以及組裝成模擬電池的電化學(xué)性能測(cè)試。
[0037]將0.7g葡萄糖溶于50mL去離子水中，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫綗o(wú)色的澄清溶液A，其中葡萄糖濃度為1.4wt%0將50mg碳納米管在40mL去離子水中分散均勻得到分散液B，其中碳納米管濃度為0.12wt%,將溶液A和分散液B均勻混合攪拌過(guò)夜，在90°C下加熱攪拌至凝膠狀后，在鼓風(fēng)干燥箱中完全烘干得到前驅(qū)體粉體。取0.4g前驅(qū)體與6g氯化鋅粉末完全混合均勻后，在純氮?dú)夥諊?00°C焙燒3h，自然降溫后用lmol/L的稀鹽酸和去離子水反復(fù)洗滌完全去除材料中的金屬鹽雜質(zhì)，烘干后得到最終產(chǎn)物，形貌如圖8所示。材料比表面積為1320!!!?^由葡萄糖碳化得到的多孔碳更加疏松多孔，成泡沫狀負(fù)載于碳納米管上形成三維結(jié)構(gòu)。將材料組裝為鋰離子電池后，測(cè)試其鋰離子電池負(fù)極性能，圖9說(shuō)明了材料在10mA g 1的電流密度下，二次放電容量為1396mAh g \循環(huán)40次后容量仍能保持在1113mAh g \具有高儲(chǔ)鋰性能。而在1000mA g 1的大充放電流下循環(huán)150次后容量為425mAh
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[0038]實(shí)施例4:石墨烯/多孔碳復(fù)合材料的制備以及組裝成模擬電池的電化學(xué)性能測(cè)試。
[0039]將0.7g葡萄糖溶于10mL去離子水中，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫綗o(wú)色的澄清溶液A，其中葡萄糖的濃度為0.7wt%。將160mg氧化石墨在40mL去離子水中分散均勻，超聲剝離2h得到氧化石墨烯分散液B，其中氧化石墨烯濃度為0.4wt %。將溶液A和分散液B均勻混合攪拌過(guò)夜后，在60°C下加熱攪拌至凝膠狀后，在鼓風(fēng)干燥箱中完全烘干得到前驅(qū)體粉體。取0.4g前驅(qū)體與2g氯化鋅粉末完全混合均勻后，在純氮?dú)夥諊?00°C焙燒5h，自然降溫后用lmol/L的稀鹽酸和去離子水反復(fù)洗滌完全去除材料中的金屬鹽雜質(zhì)，烘干后得到最終產(chǎn)物。測(cè)試得到材料的比表面積為1172m2g 1O圖10說(shuō)明了葡萄糖碳化得到的多孔碳均勻擔(dān)載在石墨烯片層上，將片狀的石墨烯完全包裹住，且觀察到多孔碳呈疏松多孔結(jié)構(gòu)，這種較為開(kāi)放的三維碳結(jié)構(gòu)有利于提高鋰離子在負(fù)極材料中的擴(kuò)散速率，使鋰離子電池負(fù)極有更高的性能。將材料組裝為鋰離子電池后，測(cè)試其鋰離子電池負(fù)極性能，材料在10mA g1的電流密度下，二次放電容量為1120mAh g \而在1000mA g 1的大充放電流下循環(huán)150次后容量為409mAh g \說(shuō)明材料倍率性能較好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.鋰離子電池高性能的碳基負(fù)極材料，其特征在于為導(dǎo)電型一維線狀碳材料或二維片狀碳材料為骨架，多孔碳顆粒均勻包覆于外表面形成的呈三維結(jié)構(gòu)的碳材料；其比表面積為1100-1650m2g %所述材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極，在10mA g 1的電流密度下，化成后放電容量為1100-1580mAh g S在1000mA g 1的大電流密度下循環(huán)150次后容量不低于400mAhg、2.一種制備如權(quán)利要求1所述的碳基負(fù)極材料的方法，其具體步驟為: 1)將含碳有機(jī)物原料，溶解于水基溶劑中；配置澄清的含碳有機(jī)物溶液A; 2)將的含一維線狀碳材料或二維片狀碳材料的分散到水中，攪拌分散均勻得到碳材料溶液B，將碳材料溶液B加入到步驟I)得到的溶液A中，分散均勻后，在60-90°C下加熱攪拌至凝膠狀，干燥后得到產(chǎn)品的前驅(qū)體粉末； 3)采用熔鹽熱活化方法，將步驟2)得到的前驅(qū)體粉末與氯化鋅充分混合均勻，在惰性氣氛下焙燒，得到碳-氯化鋅復(fù)合物； 4)將上述步驟3)得到的碳-氯化鋅復(fù)合物在鹽酸溶液中處理，洗滌，干燥，得到鋰離子電池尚性能的碳基負(fù)極材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟I)中所述的含碳有機(jī)物原料為葡萄糖或殼聚糖；所述水基溶劑為純?nèi)ルx子水，或者是加入鹽酸、醋酸或硝酸后的酸性水溶液；溶液A的質(zhì)量濃度為0.5-2.5%。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟2)中所述的一維線狀碳材料為碳納米管或碳纖維；所述的二維片狀碳材料為氧化石墨烯或石墨烯。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟2)中所述的碳材料溶液B的質(zhì)量濃度為 0.1-0.4% O6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于碳材料溶液B與含碳有機(jī)物溶液A混合時(shí)的體積比為I: (0.75-3) ο7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟3)中前驅(qū)體粉末與氯化鋅的質(zhì)量比為1:(5-15)。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟3)中所述的焙燒溫度為400-700°C，焙燒保溫時(shí)間為2-5h。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種適用于鋰離子電池高性能的碳基負(fù)極材料及其制備方法。本發(fā)明采用改進(jìn)的熔鹽熱法為制備方法，得到同時(shí)具備高比表面和微觀形貌的三維結(jié)構(gòu)碳材料，形貌結(jié)構(gòu)特征為導(dǎo)電型一維線狀碳材料或二維片狀碳材料為骨架，多孔碳顆粒均勻包覆于骨架外表面。該碳材料作為一種高性能鋰離子電池負(fù)極材料，具有高質(zhì)量能量密度，良好的大電流放電能力，長(zhǎng)使用壽命且對(duì)環(huán)境友好不含重金屬元素。制備方法簡(jiǎn)單，對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求低，適合工業(yè)生產(chǎn)。
【IPC分類】H01M10/0525, H01M4/36, H01M4/133, H01M4/583, H01M4/1393
【公開(kāi)號(hào)】CN105185967
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510655440
【發(fā)明人】邵宗平, 鄧翔, 趙伯特
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年10月12日