一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法技术

本发明专利技术的一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法，步骤为：

【技术实现步骤摘要】
一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法

：
[0001]本专利技术属于锂离子电池的负极材料制备
，具体涉及一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法。
技术背景：
[0002]储能器件是推动国家信息化发展和现代化进程的重要基石，其中锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命和轻质便携等优点，被广泛应用于便携式电子设备、交通运输、航空航天等重要领域。随着信息化与军事现代化建设的快速发展，具有重要科研探索与军事战略意义的高寒地区、两极地区以及高空和太空等区域对电池的需求正日益增加。但上述地区均具有气温较低的特点，例如，海拔3000米以上的高原地区年平均气温在0℃以下；在信息化战争中具有重要战略地位的近太空(20
‑
100km)温度范围在0℃至
‑
100℃之间。然而，目前商业化LIBs常用的负极材料为石墨材料，其层间距小、锂离子扩散速率满，并且在低温条件下Li
+
在石墨表面的沉积取代了Li
+
插层反应，进而会在负极表面生成锂枝晶，不断生长的锂枝晶会刺穿隔膜，破坏电池的循环稳定性，导致电池短路失效，引起燃烧、爆炸等安全事故。因此，开发一种具有高稳定性，高锂离子扩散的负极材料成为重中之重。
[0003]多孔碳是近几年兴起的，在各个领域经过广泛研究，是具有巨大潜力的新材料。多孔碳制备方法主要有两类，活化法和模板法，其中模板法又分为硬模板法和软模板法。其中软模板法是常用的制备方法，它是一种直接合成有序介孔碳的方法，通过碳前驱体和软模版(主要为表面活性剂)相互作用进行自组装，然后将碳前驱体碳化得到的多孔碳材料。制备的多孔碳材料具有化学稳定性高、导电性好、价格低廉，具有优异比表而积、孔道结构可控、孔径可调以及锂离子在其中扩散速度快等优点，在其基础上对其进行氮掺杂和包覆，使其导电性得到进一步提高，适合做为低温锂离子电池负极材料使用。

技术实现思路
：
[0004]本专利技术的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法，为低温锂离子电池提供一种新型的负极材料。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，氮掺杂多孔碳的制备：
[0008](a)取适量的软模版材料和碳前驱体溶解在水/醇溶剂中，并在室温下剧烈搅拌以获得澄清溶液。软模版材料：碳前驱体为1：2。
[0009](b)将获得的澄清溶液置于可调速的搅拌器上，并将适量稳定剂缓慢加入溶液中，得到纳米乳液。其中搅拌速度为350
‑
700rpm，搅拌时间30
‑
90min，稳定剂添加量为0～4ml。
[0010](c)将一定含量引发剂逐滴加入上述混合物中，以诱导碳前驱体低聚物的自聚合。其中引发剂的添加量为0
‑
10ml。
[0011](d)将形成的介孔聚合物纳米球产品离心，并用水和醇按顺序洗涤，洗掉过多杂
质，之后进行冷冻干燥。其中，离心转速为8000
‑
100000转，离心时间为10
‑
30min，冷冻干燥时间为8
‑
24h，冷冻干燥温度在
‑
40
‑
80℃。
[0012](e)将聚合纳米球在一定温度下预热一定时间，然后在热处理，热解后得到树枝状介孔碳纳米球产物。其中预热温度为300
‑
500℃，预热时间为3
‑
6h，加热温度为600
‑
1000℃，加热时间为0.5
‑
24h。
[0013]步骤2，负极材料的制备：
[0014](a)将适量的包覆材料与步骤1(e)中适量的树枝状介孔碳纳米球产物充分混合均匀。其中，包覆材料与树枝状介孔碳纳米球产物比例为1：(0.5
‑
2)。
[0015](b)将步骤2(a)中的混合物在一定温度下热处理一定时间，得到一种高性能低温锂离子电池碳负极材料，其中热处理温度为800
‑
1000℃，保温时间为2
‑
4h。
[0016]所述步骤1(a)中：醇溶剂为无水乙醇、甲醇、丙醇，优选无水乙醇、价格便宜、污染小。
[0017]所述步骤1(a)中：软模版材料为聚醚F127、十六烷基三甲基溴化铵，优选为聚醚F127。
[0018]所述步骤1(a)中：碳前躯体为多巴胺、酚醛树脂、邻氨基苯酚，优选为多巴胺。
[0019]所述步骤1(a)中：水与醇溶剂按照质量比，水：醇溶剂＝1：1。
[0020]所述步骤1(b)中：稳定剂优选为1,3,5
‑
三甲苯溶液。
[0021]所述步骤1(b)中：搅拌器的搅拌速度优选为500rpm，搅拌时间优选为30min。
[0022]所述步骤1(c)中：引发剂优选为浓氨(NH3·
H2O)，其浓度为25％，添加量优选为5ml。
[0023]所述步骤1(d)中：离心转速优选为10000转，离心时间优选为20min，冷冻干燥时间优选为12h，冷冻干燥温度优选在
‑
55℃。
[0024]所述步骤1(e)中：预热温度优选为350℃，预热时间优选为3h，加热温度优选为800℃，加热时间优选为2h。
[0025]所述步骤2(a)中：包覆材料具体为沥青、酚醛树脂、聚苯胺，优选为沥青。
[0026]所述步骤2(b)中：预热/加热操作在隔绝空气下进行，具体为真空加热、氮气或氩气气氛保护下进行，优选为氩气。
[0027]所述步骤2(b)中：热处理温度为800℃，保温时间为2h。
[0028]所述步骤2(b)中，对制备的低温锂离子电池负极材料进行测试，其比表面积小于5m2/g；以乙炔黑为导电剂，将制备的负极材料装配电池测试电化学性能，其首次充放电效率达85
‑
95％，可逆容量为470
‑
700mAh/g，循环500次后容量保持率大于92％；
‑
20℃时0.2C倍率下充放电，容量发挥85
‑
99％；
‑
40℃时0.2C倍率下充放电，容量发挥77
‑
99％。
[0029]所述导电剂为乙炔黑材料，充放电效率是采用半电池方法测试，循环性能是采用全电池方法测试。
[0030]本专利技术的有益效果：
[0031](1)本专利技术所最大的特点是利用软模板法与表面包覆的改性手法制备碳包覆复合材料，工艺简单，有利于节约成本，使用的设备均为负极材料制备过程中的常见设备，有利于大规模生产，极易推广。
[0032](2)本专利技术碳包覆材料具有化学稳定性高、导电性好、比表而积小以及锂离子在其
中扩散速度快等优点，适合做为低温锂离子电池负极材料使用。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，氮掺杂多孔碳的制备：(a)取适量的软模版材料和碳前驱体溶解在水/醇溶剂中，并在室温下剧烈搅拌以获得澄清溶液，软模版材料，碳前驱体为1：2；(b)将获得的澄清溶液置于可调速的搅拌器上，并将适量稳定剂缓慢加入溶液中，得到纳米乳液，其中搅拌速度为350
‑
700rpm，搅拌时间30
‑
90min，稳定剂添加量为0～4ml；(c)将一定含量引发剂逐滴加入上述混合物中，以诱导碳前驱体低聚物的自聚合，其中引发剂的添加量为0
‑
10ml；(d)将形成的介孔聚合物纳米球产品离心，并用水和醇按顺序洗涤，洗掉过多杂质，之后进行冷冻干燥，其中，离心转速为8000
‑
100000转，离心时间为10
‑
30min，冷冻干燥时间为8
‑
24h，冷冻干燥温度在
‑
40
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80℃；(e)将聚合纳米球在一定温度下预热一定时间，然后在热处理，热解后得到树枝状介孔碳纳米球产物，其中预热温度为300
‑
500℃，预热时间为3
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6h，加热温度为600
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1000℃，加热时间为0.5
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24h；步骤2，负极材料的制备：(a)将适量的包覆材料与步骤1(e)中适量的树枝状介孔碳纳米球产物充分混合均匀，其中，包覆材料与树枝状介孔碳纳米球产物比例为1：(0.5
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2)；(b)将步骤2(a)中的混合物在一定温度下热处理一定时间，得到一种高性能低温锂离子电池碳负极材料，其中热处理温度为800
‑
1000℃，保温时间为2
‑
4h。2.根据权利要求1所述的一种高性能低温锂离子电池碳负极材料制备方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：董伟，纪凌枭，杨宗松，赵美娜，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：