一种锂电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，公开了一种锂电池负极材料及其制备方法，该锂电池负极材料具有分级多层结构，由内到外依次包括纳米金属氧化物芯材层、氮掺杂多孔碳层和石墨烯,其中纳米氧化铈芯材层，具有较高的理论比容量，可锂电池负极材料具有更高的比容量表现，使用氮掺杂多孔碳层作为中间层，对纳米氧化铈芯材层进行包覆，能够锂电池负极材料具有更高的比容量和倍率性能，以石墨烯为最外层，利用石墨烯形成三维桥联结构，使锂电池负极材料表现出更高的导电性、倍率性能和循环稳定性。倍率性能和循环稳定性。倍率性能和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂电池
，具体涉及一种锂电池负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]现如今，化石能源的急剧消耗不仅造成能源危机，还对环境造成了严重的破坏，因此，开展清洁能源的研究和使用具有重要意义。但是大部分的清洁能源均存在间歇性和不稳定性的缺点，例如潮汐能、风能、太阳能等，因此需要使用能量存储和转换装置，将这些能量由化学能转化成电能，再供给人类使用。在众多的能量存储和转换装置中，锂离子电池具有能量转换效率高、安全性好且绿色环保等优点，成为各类储能器件的首选，近年来，逐渐占据了电池行业绝大部分的市场。但是，目前大多数锂离子电池所使用的电极材料为石墨电极材料，不仅理论容量较低，而且成本难以控制，严重阻碍了锂离子电池在电动汽车等大型储能系统中的应用，因此开发高比容量的电极材料有助于锂离子电池的进一步发展和应用。
[0003]申请号为CN202110541664.9的专利技术专利公开了一种锂离子电池负极材料镍酸锌双金属氧化物的制备方法，通过制备由一次纳米粒子构成的ZnNi2O4二次亚微球作为锂离子电池的负极材料，利用其特殊的形貌和较大的比表面积，使锂离子电池能够表现出较高的放电比容量，但是，金属氧化物在连续脱锂/嵌锂的过程中，极易发生体积膨胀，导致SEI膜厚度增加，影响锂离子的扩散，同时，还会导致其与集流体的接触，使电池效率低下或者突然失效，因此循环稳定性较差，严重影响电池的使用寿命，而且金属氧化物的导电性不佳，导致锂离子电池的倍率性能也表现较为一般，因此，单独使用金属氧化物作为锂离子电池的负极材料在实际应用中仍存在一定缺陷。
[0004]基于此，本专利技术提供了一种复合型负极材料，可直接用于锂离子电池中，表现出良好的比容量和循环稳定性等电化学性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种锂电池负极材料及其制备方法，解决了金属氧化物导电性不佳，单独作为锂离子电池负极材料时易产生体积膨胀，导致锂离子电池的比容量和循环稳定性等电化学性能较差的问题。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]一种锂电池负极材料，具有分级多层结构，由内到外依次包括纳米金属氧化物芯材层、氮掺杂多孔碳层和石墨烯层。
[0008]一种锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一：对纳米金属氧化物进行表面修饰，获得改性金属氧化物；
[0010]步骤二：制备阳离子淀粉；
[0011]步骤三：制备金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物；
[0012]步骤四：对金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物进行煅烧处理，获得锂电
池负极材料。
[0013]进一步地，步骤一中，所述改性金属氧化物的制备方法具体为：将纳米氧化铈超声分散在体积比为9:1的去离子水和乙醇混合溶液中，加入1,4
‑
丁二磺酸二钠盐混匀，在60
‑
70℃的温度条件下搅拌4
‑
6h后，离心分离，使用盐酸和去离子水依次洗涤固体物料，真空干燥，获得改性金属氧化物。
[0014]通过上述技术方案，纳米氧化铈表面吸附有羟基，使用1,4
‑
丁二磺酸二钠盐为表面活性剂，对纳米氧化铈进行修饰，使其表面含有强极性磺酸基团，获得改性金属氧化物。
[0015]进一步地，所述纳米氧化铈的平均粒径为500nm。
[0016]进一步地，步骤二中，所述阳离子淀粉的制备方法具体包括以下步骤：
[0017]第一步：将淀粉与95％的乙醇混合，搅拌混合均匀，加入溴乙酰氯和催化剂搅拌混合，将体系置于45
‑
55℃的温度条件中，保温6
‑
8h后，抽滤出固体物料，使用盐酸和去离子水依次洗涤，烘干，获得卤化淀粉；
[0018]第二步：将卤化淀粉、二叔胺单体和四氢呋喃混合，搅匀后，通氮气保护，将体系温度升高至60
‑
65℃，恒温搅拌12
‑
18h后，过滤分离固体物料，洗涤，烘干，获得阳离子淀粉。
[0019]进一步地，第一步中，所述催化剂为氢氧化钠、三乙胺或者吡啶中的任意一种。
[0020]进一步地，第二步中，所述二叔胺单体为N,N,N',N'
‑
四甲基乙二胺、N,N,N',N'
‑
四甲基
‑
1,4
‑
丁二胺或者N,N,N',N'
‑
四甲基
‑
1,6
‑
己二胺中的任意一种。
[0021]通过上述技术方案，淀粉结构中含有活性羟基，可以在催化剂作用下，与溴乙酰氯结构中的酰氯基团发生酯化缩合反应，将卤素溴原子引入到淀粉结构中，卤素溴原子可以与二叔胺单体结构中的叔胺基团发生季铵化反应，制得阳离子淀粉，由于二叔胺单体结构中含有两当量叔胺基团，因此可以使制备的阳离子淀粉结构中含有丰富的季铵氮正离子，并表现为交联结构。
[0022]进一步地，步骤三中，所述金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物的制备方法具体为：将改性金属氧化物超声分散在去离子水中，加入阳离子淀粉混合，在200
‑
400r/min的搅拌速率下，室温搅拌1
‑
3h后，加入氧化石墨烯，超声分散20
‑
40min，继续在200
‑
400r/min的搅拌速率下搅拌2
‑
4h，过滤分离固体物料，真空干燥，即可。
[0023]通过上述技术方案，由于改性金属氧化物表面含有磺酸基团，在水溶液中呈负电性，而阳离子淀粉结构中含有的丰富氮正离子在水溶液中呈较强的正电性，因此在静电作用下，彼此会相互吸引，先形成具有包覆状结构的金属氧化物
‑
阳离子淀粉复合物，而氧化石墨烯表面含有的羟基、羧基等含氧官能团在水溶液中也表现出负电性，因此在不断搅拌条件下，可再次通过静电作用，吸附在金属氧化物
‑
阳离子淀粉复合物外部，形成金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物。
[0024]进一步地，步骤四中，所述煅烧处理的具体过程为：将金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物置于管式炉中，通氮气保护，进行煅烧处理，煅烧结束后，待物料自然冷却，出料，即可。
[0025]进一步地，所述煅烧处理时的升温速率为1
‑
5℃/min，升高温度至550
‑
600℃，保温处理2
‑
4h。
[0026]通过上述技术方案，在金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物的高温煅烧过程中，交联状阳离子淀粉成碳率较高，可在煅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电池负极材料，其特征在于，所述锂电池负极材料具有分级多层结构，由内到外依次包括纳米金属氧化物芯材层、氮掺杂多孔碳层和石墨烯层。2.一种如权利要求1所述的锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤一：对纳米金属氧化物进行表面修饰，获得改性金属氧化物；步骤二：制备阳离子淀粉；步骤三：制备金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物；步骤四：对金属氧化物
‑
阳离子淀粉
‑
氧化石墨烯复合物进行煅烧处理，获得锂电池负极材料。3.根据权利要求2所述的一种锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述改性金属氧化物的制备方法具体为：将纳米氧化铈超声分散在体积比为9:1的去离子水和乙醇混合溶液中，加入1,4
‑
丁二磺酸二钠盐混匀，在60
‑
70℃的温度条件下搅拌4
‑
6h后，离心分离，使用盐酸和去离子水依次洗涤固体物料，真空干燥，获得改性金属氧化物。4.根据权利要求3所述的一种锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化铈的平均粒径为500nm。5.根据权利要求2所述的一种锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述阳离子淀粉的制备方法具体包括以下步骤：第一步：将淀粉与95%的乙醇混合，搅拌混合均匀，加入溴乙酰氯和催化剂搅拌混合，将体系置于45
‑
55℃的温度条件中，保温6
‑
8h后，抽滤出固体物料，使用盐酸和去离子水依次洗涤，烘干，获得卤化淀粉；第二步：将卤化淀粉、二叔胺单体和四氢呋喃混合，搅匀后，通氮气保护，将体系温度升高至60
‑
65℃，恒温搅拌12
‑
18h后，过滤分离固体物料，洗涤，烘干，获得阳离子淀粉。...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖国辉，欧光明，谢焕彩，陈君军，刘洋，
申请(专利权)人：江西德沅新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：