一种快充石墨复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术为一种快充石墨复合材料的制备方法。一种快充石墨复合材料的制备方法，包括：(1)将稀土化合物、分散剂和金属偶联剂分散到有机溶剂中后，添加石墨，分散均匀，再添加碱性溶液进行共沉积反应，过滤、干燥、碳化，得石墨前驱体材料；(2)以所述的石墨前驱体材料为衬底，快离子导体/稀土化合物/导电剂复合体为靶材，通过原子气相沉积法，将所述的靶材包覆在所述的衬底上。本发明专利技术所述的一种快充石墨复合材料的制备方法，利用掺杂稀土金属扩充了石墨的层间距，提升锂离子的脱嵌速率，同时共沉积法可以在石墨表面可以实现均匀的金属掺杂，并利用原子气相沉积法在其外层包覆锂离子导电率高的快离子导体提升材料的快充性能及其循环性能。环性能。环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种快充石墨复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种快充石墨复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着市场对锂离子电池快充性能要求的提高，要求锂离子电池所用负极材料在具有快充性能的同时，材料的能量密度及其高温性能也应兼顾。目前提升材料快充性能的措施主要是通过如下措施实现：1)降低材料的骨料/成品粒径，但是会影响能量密度；2)进行材料表面包覆无定形碳提升材料的扩散速率；3)材料掺杂电子导电率高的金属、氧化物及其快离子导体提升充放电过程中锂离子的交换速率，提升倍率性能。而目前市场化的材料主要采用(1)和(2)方法，其存在锂离子扩散速率慢，电子导电性差等缺陷，对电池的倍率提升幅度有限。因此需要通过从材料内核和外壳中掺杂电子导电率高的金属。
[0003]有鉴于此，本专利技术提出一种新的快充石墨复合材料及其制备方法，通过采用金属氧化物和快离子导体，以整体提升材料的倍率性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种快充石墨复合材料的制备方法，通过在内核掺杂稀土化合物及其外壳包覆快离子导体/稀土化合物的双重作用，提升材料的快充性能。
[0005]为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
[0006]一种快充石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将稀土化合物、分散剂和金属偶联剂均匀分散到有机溶剂中后，添加石墨，分散均匀，再添加碱性溶液进行共沉积反应，过滤、干燥、碳化，得石墨前驱体材料；
[0008](2)以所述的石墨前驱体材料为衬底，快离子导体/稀土化合物/导电剂复合体为靶材，通过原子气相沉积法，将所述的靶材包覆在所述的衬底上，得所述的快充石墨复合材料。
[0009]进一步的，所述的步骤(1)中，稀土化合物、分散剂、金属偶联剂、石墨和碱性溶液中溶质的质量比为1
‑
10:0.5
‑
2:0.5
‑
2:100:5
‑
15；
[0010]稀土化合物、分散剂和金属偶联剂的总质量与有机溶剂的质量的比为1
‑
10:100。
[0011]进一步的，所述的稀土化合物为Ce(NO3)3、La(NO3)3、Nd(NO3)3、Tb(NO3)3、Sm(NO3)3中的一种；
[0012]所述的分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、四甲基氢氧化铵中的一种；
[0013]所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚中的一种。
[0014]所述的金属偶联剂为钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、铝酸酯偶联、铝
‑
锆双金属偶联剂中的一种；
[0015]所述的碱性溶液为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸铵、碳酸氢铵溶液中的一种；
[0016]所述的快离子导体为磷酸钛铝锂、钛酸镧锂、钽酸镧锂、磷酸锗铝锂、锂镧锆氧、镧锆铝锂氧中的一种；
[0017]所述的导电剂为石墨烯、碳纳米管、超级炭黑、气相生长碳纤维中的一种。
[0018]进一步的，所述的步骤(2)中，将所述的靶材包覆在所述的衬底上的过程为，在600
‑
1000℃下使靶材气化，高纯氮气为载气，以脉冲方式通入到反应腔中，沉积1
‑
10次。
[0019]进一步的，所述的步骤(2)中，每次沉积的过程为：将所述的气化后的靶材和载气通入到反应腔中5
‑
10S后，等待10
‑
30S，再充入惰性气体进行吹扫，时间30
‑
60S。
[0020]再进一步的，所述的高纯氮气的流量50
‑
100Sccm。
[0021]再进一步的，所述的靶材的制备方法为：将快离子导体、稀土化合物和导电剂添加到沥青中，研磨均匀后，采用热压机进行压片，得到所述的快离子导体/稀土化合物/导电剂复合体。
[0022]再进一步的，所述的靶材中快离子导体、稀土化合物、导电剂与步骤(1)中石墨的质量比为10
‑
30:10
‑
30:5
‑
20:100；
[0023]所述的沥青的质量与快离子导体、稀土化合物、导电剂总质量的比为10
‑
30:100。
[0024]本专利技术的另一个目的在于提供一种快充石墨复合材料，采用上述制备方法制备而成，为核壳结构，内核为掺杂稀土的石墨，外壳为含有快离子导体的无定形碳。其在具有较好的石墨快充性能的同时，兼顾能量密度和高温性能。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0026]1、本专利技术通过化学法将电子导电率高的稀土化合物，金属偶联剂掺杂在石墨之间，一方面偶联剂使其石墨形成网路结构降低阻抗，另一方面，稀土化合物自身电子导电率低，降低其内核石墨复合体的内阻。
[0027]2、本专利技术通过原子气相沉积法，在其外层沉积快离子导体/稀土化合物/导电剂复合体，依靠其快离子导体离子导电率高，导电剂电子导电率高的特性及其掺杂的稀土化合物提升材料的电子导电率，并提升充放电过程中的锂离子扩散速率，提升倍率性能。
附图说明
[0028]图1为实施例2制备出的石墨复合材料的SEM。
具体实施方式
[0029]为了进一步阐述本专利技术一种快充石墨复合材料及其制备方法，达到预期专利技术目的，以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种快充石墨复合材料及其制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
[0030]下面将结合具体的实施例，对本专利技术一种快充石墨复合材料及其制备方法做进一步的详细介绍：
[0031]实施例1.
[0032]本专利技术的制备过程为，将稀土化合物、分散剂和金属偶联剂混合均匀得到石墨前
驱体材料，之后通过原子气相沉积法，以快离子导体/稀土化合物/导电剂复合体为靶材沉积在石墨前驱体材料表面，得到快充石墨复合材料。具体操作步骤如下：
[0033]按照1
‑
10：0.5
‑
2：0.5
‑
2的质量比将稀土化合物，分散剂、金属偶联剂添加到有机溶剂中，分散均匀后，添加人造石墨，分散均匀，然后添加碱性溶液进行共沉积反应，之后过滤，真空干燥，800℃碳化3h，得到石墨前驱体材料。
[0034]其中，稀土化合物、石墨和碱性溶液中溶质(即碱性物质)的质量比为1
‑
10:100:5
‑
15。
[0035]稀土化合物为Ce(NO3)3、La(NO3)3、Nd(NO3)3、Tb(NO3)3、Sm(NO3)3中的一种。
[0036]分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快充石墨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将稀土化合物、分散剂和金属偶联剂均匀分散到有机溶剂中后，添加石墨，分散均匀，再添加碱性溶液进行共沉积反应，过滤、干燥、碳化，得石墨前驱体材料；(2)以所述的石墨前驱体材料为衬底，快离子导体/稀土化合物/导电剂复合体为靶材，通过原子气相沉积法，将所述的靶材包覆在所述的衬底上，得所述的快充石墨复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，稀土化合物、分散剂、金属偶联剂、石墨和碱性溶液中溶质的质量比为1
‑
10:0.5
‑
2:0.5
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2:100:5
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15；稀土化合物、分散剂和金属偶联剂的总质量与有机溶剂的质量的比为1
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10:100。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的稀土化合物为Ce(NO3)3、La(NO3)3、Nd(NO3)3、Tb(NO3)3、Sm(NO3)3中的一种；所述的分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、四甲基氢氧化铵中的一种；所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚中的一种；所述的金属偶联剂为钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、铝酸酯偶联、铝
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锆双金属偶联剂中的一种；所述的碱性溶液为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸铵、碳酸氢铵溶液中的一种；所述的快离子导体为磷酸钛铝锂、钛酸镧锂、钽酸镧锂、磷酸锗铝锂、锂镧锆氧、镧锆铝锂氧中的一种；所述的导电剂为石墨烯、碳纳米管、超...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴国军，王福寿，王福国，王福山，裴成勇，
申请(专利权)人：新疆天宏基科技有限公司，
类型：发明
国别省市：