本发明专利技术提供了一种适用于锂离子电池高性能的碳基负极材料及其制备方法。本发明专利技术采用改进的熔盐热法为制备方法，得到同时具备高比表面和微观形貌的三维结构碳材料，形貌结构特征为导电型一维线状碳材料或二维片状碳材料为骨架，多孔碳颗粒均匀包覆于骨架外表面。该碳材料作为一种高性能锂离子电池负极材料，具有高质量能量密度，良好的大电流放电能力，长使用寿命且对环境友好不含重金属元素。制备方法简单，对反应设备要求低，适合工业生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于锂离子电池电极材料
技术介绍
作为一种重要的电化学储能器件，可充电锂离子电池(rechargeable lithium1n batteries)已经在诸如手机，笔记本电脑等等的移动电子设备中取得了巨大的成功。然而，新一代的电子器件，如电动汽车，可穿戴电子设备，对锂离子电池提出了新的要求，于此同时，随着时代的发展，智能电网系统的逐步建立对于锂离子电池的大规模生产和应用产生了新的机遇与挑战。为了在实质上对锂离子电池的功率密度、能量密度、寿命、安全性取得较大的突破，锂离子电池中的关键部件急需进行革新。经典的锂离子电池正负极材料体系一般以钴酸锂为正极，石墨为负极。但是，目前商业石墨负极由于相对较低的比容量(理论容量372mAh g ，大电流充放电稳定性差，电池组安全性问题难以解决，在电动汽车动力电池中的应用遇到瓶颈。为了解决这一问题，科研工作者探索了以硅，锡为代表的合金化储锂材料以及以氧化锰，氧化铁为代表的氧化还原储锂机理的材料。虽然这些新型的材料在比容量上取得了数倍于商业石墨的提高，但电极材料导电性差，反复充放电过程中电极材料内部巨大的体积变化导致电池寿命迅速衰减，制备工艺复杂，电极特性无法和现今成熟的锂离子电池体系相匹配等缺点极大的阻碍了这些材料的实际规模化应用。考虑到碳基材料在微结构和形貌上的高度可调变性，石墨作为一种简单结构的碳材料，对其碳原子排布方式的设计和优化具有极大的应用价值。因此，另一种行之有效的方法是开发新颖的微纳结构碳材料负极，以替代传统石墨碳负极。碳纳米管(carbonnanotube)和石墨稀(graphene)作为新型的一维、二维结构碳材料，已经成为目前学术界和工业界研究的热点。其高导电性，高储锂容量等特点非常适合作为导电添加剂或者基底应用于负极材料。另外，与高储锂能力的多孔碳进行复合，能够为提升负极电化学性能提供新的有效途径。设计并制备出高电化学活性的新型全碳基负极材料对替代传统石墨碳负极具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种锂离子电池高性能的碳基负极材料，本专利技术的另一目的是提供上述及碳基负极材料的制备方法。本专利技术的技术方案为:锂离子电池高性能的碳基负极材料，其特征在于其微观上形貌结构特征为导电型一维线状碳材料或二维片状碳材料为骨架，多孔碳颗粒均匀包覆于外表面形成的呈三维结构的碳材料；其比表面积为1100-1650m2g S所述材料应用于锂离子电池负极，在10mA g 1的电流密度下，化成后放电容量(指二次放电容量)为1100-1580mAh g S在1000mA g 1的大电流密度下循环150次后容量不低于400mAh g \具有良好的大电流放电能力和循环寿命。本专利技术还提供了制备上述的碳基负极材料的方法，其具体步骤为:I)将含碳有机物原料，溶解于水基溶剂中；配置澄清的含碳有机物溶液A ；2)将的含一维线状碳材料或二维片状碳材料的分散到水中，搅拌分散均匀得到碳材料溶液B，将碳材料溶液B加入到步骤I)得到的溶液A中，分散均匀后，在60-90°C下加热搅拌至凝胶状，干燥箱后得到产品的前驱体粉末；3)采用熔盐热活化方法，将步骤2)得到的前驱体粉末与氯化锌充分混合均匀，在惰性气氛下焙烧，得到碳-氯化锌复合物；4)将上述步骤3)得到的碳-氯化锌复合物在盐酸溶液中处理，洗涤(去除制备得到的复合碳材料中的氯化锌并回收以供循环使用)；得到的纯净的碳材料进行干燥，得到锂离子电池高性能的碳基负极材料。优选步骤I)中所述的含碳有机物原料为葡萄糖或壳聚糖等糖类；所述水基溶剂为纯去离子水，或者是加入盐酸、醋酸或硝酸后的酸性水溶液；溶液A的质量浓度为0.5-2.5% ο优选步骤2)中所述的一维线状碳材料为碳纳米管或碳纤维等；所述的二维片状碳材料为氧化石墨烯或石墨烯等。优选步骤2)中所述的碳材料溶液B的质量浓度为0.1-0.4%。优选碳材料溶液B与含碳有机物溶液A混合时的体积比为1: (0.75-3)。优选步骤3)中前驱体粉末与氯化锌的质量比为1: (5-15)。优选步骤3)中所述的焙烧温度为400_700°C，焙烧保温时间为2_5h。优选所述的保护气氛为氩气或氮气。有益效果:本专利技术提供了一种具备高比表面和微观形貌的三维结构新型碳材料。该产品的制备技术工艺简单，符合环境要求，由于生产工艺显著降低了需要的焙烧温度，有效降低能耗，节约了生产成本。产品作为锂离子电池负极材料有优异的电化学表现，高于目前商业化石墨负极的理论容量，有望替代目前商业化的石墨负极作为新一代的锂离子电池负极材料大规模应用。【附图说明】图1为本专利技术实施例1产物石墨烯/氮掺杂多孔碳的扫描电子显微镜图像；图2为本专利技术实施例1产物的氮气吸附-脱附曲线；图3为本专利技术实施例1产物作为锂离子电池负极的恒流充放电曲线；图4为本专利技术实施例2产物碳纳米管/氮掺杂多孔碳的扫描电子显微镜图像；图5为本专利技术实施例2产物的氮气吸附-脱附曲线；图6为本专利技术实施例2产物作为锂离子电池负极的恒流充放电曲线；图7为本专利技术实施例2产物作为锂离子电池负极的电池循环性能；图8为本专利技术实施例3产物碳纳米管/多孔碳的扫描电子显微镜图像；图9为本专利技术实施例3产物作为锂离子电池负极的电池循环性能；图10为本专利技术实施例4产物石墨烯/多孔碳的扫描电子显微镜图像。【具体实施方式】本专利技术所涉及的方法包含但并不局限于以下实施例中的材料。实施例1:石墨烯/氮掺杂多孔碳的制备以及组装成模拟电池的电化学性能测试。将0.7g壳聚糖溶于25mL去离子水中，并加入lmol/L的稀盐酸5mL帮助溶解，充分搅拌溶解得到淡黄色澄清溶液A，其中壳聚糖浓度为2.3wt%。将50mg氧化石墨在40mL去离子水中分散均匀，超声剥离2h得到氧化石墨烯分散液B，其中氧化石墨浓度为0.12wt%。将溶液A和分散液B均匀混合搅拌过夜，在90°C下加热搅拌至凝胶状后，在鼓风干燥箱中完全烘干得到前驱体粉体。取0.4g前驱体与4g氯化锌粉末完全混合均匀后，在氩气氛围下600°C焙烧2h，自然降温后用lmol/L的稀盐酸和去离子水反复洗涤完全去除材料中的金属盐杂质，烘干后得到最终产物。微观结构如图1所示，可以看出壳聚糖碳化得到的氮掺杂多孔碳均匀负载在片状的石墨烯表面。图2的氮气吸脱附曲线显示材料具有丰富的微孔结构，计算得到比表面积达到1626m2g 1O将上述实例I制备得到的样品与导电炭黑，粘结剂(PTFE)按照8:1:1质量比均匀混合，制备电极片。以2025型纽扣电池为当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
锂离子电池高性能的碳基负极材料，其特征在于为导电型一维线状碳材料或二维片状碳材料为骨架，多孔碳颗粒均匀包覆于外表面形成的呈三维结构的碳材料；其比表面积为1100‑1650m2g‑1；所述材料应用于锂离子电池负极，在100mA g‑1的电流密度下，化成后放电容量为1100‑1580mAh g‑1；在1000mA g‑1的大电流密度下循环150次后容量不低于400mAh g‑1。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邵宗平，邓翔，赵伯特，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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