一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料，具體涉及一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，該方法制得的納米粒子均勻嵌入碳納米片，及其作為鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題成為制約社會發(fā)展的重要因素之一。鋰離子電池作為一種新型的二次能源，因具有能量密度大、自放電小、工作電壓高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)良特性，近年來得到快速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等各類便攜電子設(shè)備中，被認(rèn)為是目前最有效的能源儲存方式之一。但是隨著社會的發(fā)展，人們對鋰離子電池的性能提出更高的要求，尤其是需求更高的能量密度和功率
FtFt也/又。
[0003]但是，商業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料目前主要是石墨，雖然石墨具有廉價、環(huán)境友好、高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率高等優(yōu)點，但其理論比容量低，這使其無法應(yīng)用到要求高能量密度的電動汽車等領(lǐng)域內(nèi)。因此，尋找比容量大、循環(huán)和倍率性能好的的負(fù)極材料成為目前負(fù)極材料研究領(lǐng)域的熱點問題之一。
[0004]金屬負(fù)極理論比容量高，一般為石墨理論比容量的幾倍甚至更多，是潛在的替代石墨負(fù)極材料的主要負(fù)極材料。目前可作為鋰離子電池的負(fù)極材料主要有金屬錫、鍺、銻和非金屬硅等。雖然這些材料的比容量大，但是這些材料在脫嵌鋰過程中存在嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng)，并且電導(dǎo)率也不高，從而導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性極差，限制了其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，對金屬負(fù)極材料進(jìn)行改性，使其能夠達(dá)到實際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。
[0005]金屬負(fù)極的改性方法主要有:納米化，表面包覆以及形成復(fù)合材料等。納米化主要包括將各種金屬負(fù)極材料設(shè)計成各種納米結(jié)構(gòu);表面包覆主要是炭包覆，還包括其它各種材料對金屬負(fù)極的包覆;形成復(fù)合材料的種類比較多，與其復(fù)合的材料可以是活性物質(zhì)也可以是非活性物質(zhì)，但是其起到的作用大體相同，主要是限制其體積膨脹或增加導(dǎo)電性。最近研究表明，將納米粒子嵌入到碳納米片中，然后將其作為鋰離子電池負(fù)極材料可以大幅度提高金屬負(fù)極材料的電化學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是商業(yè)化石墨負(fù)極容量太低，本發(fā)明的目的是提供一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法，該材料儲鋰容量高，循環(huán)性能好，制備方法簡單，成本低，易于大規(guī)模制備。本發(fā)明提出的納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料，不是納米粒子與碳納米片的簡單復(fù)合，而是納米粒子均勻的嵌入到碳納米片中，納米粒子與碳納米片結(jié)合緊密，不易剝落，并且有很好的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)通性，通過克服了納米粒子循環(huán)性能差的技術(shù)問題，提高了石墨負(fù)極容量。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，其特點在于:
一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，以易溶于水的有機(jī)物為碳源，商業(yè)化微米級金屬粒子或微米級非金屬粒子為粒子源，氯化鈉為模板，將碳源，粒子源和氯化鈉混合，高能球磨，烘干后，形成的固體混合物在混合氣氛下，于管式爐中在600?750°C的溫度范圍內(nèi)熱解處理，冷卻、洗滌和干燥后，得到所述的鋰離子電池負(fù)極材料。
[0008]所述的粒子、碳源和氯化鈉的優(yōu)選質(zhì)量比為(0.6?1.0): (3?5):(30?50)。
[0009]所述的方法具體包括以下步驟:
1)前驅(qū)體制備:稱取(0.6?1.0)g商業(yè)化微米級金屬粒子或微米級非金屬粒子、(3?5)g碳源和(30?50)g氯化鈉，放入球磨罐中，加入(5?20)mL蒸饋水，以500rpm速度球磨(10?20)h，將得到的混合物放入烘箱中，60?80°C烘干后放入管式爐中；
2)前驅(qū)體熱解處理:在氫氣和惰性氣體混合氣氛下，以(2?5)°C/min程序升溫至600?750°C進(jìn)行熱解處理，在改溫度下保持2h以上，然后冷卻至室溫；
3)后處理:將煅燒后的黑色膨脹物用蒸餾水洗滌除去氯化鈉模板，再用蒸餾水洗滌至中性后干燥。
[0010]所述的有機(jī)物優(yōu)選自葡萄糖、蔗糖、果糖、檸檬酸和檸檬酸鈉等易溶于水的有機(jī)物。
[0011]所述的混合氣氛是指氫氣與氮氣、氬氣兩種氣體中的一種的混合氣體。
[0012]更具體地，以金屬錫為例，本發(fā)明的納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料的制備，包括以下步驟:
1)前驅(qū)體制備:以檸檬酸(或葡萄糖、蔗糖、果糖和檸檬酸鈉)為碳源，商業(yè)化微米級金屬錫為粒子源，以氯化鈉為模板，稱取(0.6?1.0)g商業(yè)化微米級金屬錫、(3?5)g檸檬酸(或葡萄糖、蔗糖、果糖和檸檬酸鈉)和(30?50)g氯化鈉，放入球磨罐中，加入(5?20)mL蒸餾水，以500rpm速度球磨(10?20)h，將得到的混合物放入烘箱中，60?80°C烘干后放入管式爐中；
2)前驅(qū)體熱解處理:制得的前驅(qū)體樣品均勻地鋪灑在燒舟底部，將燒舟置于管式爐恒溫區(qū)，先通氮氣30min，以排除管式爐內(nèi)的空氣，然后通氬氣和氫氣的混合氣體，以2°C/min進(jìn)行程序升溫至750°C進(jìn)行碳化，在750°C下保溫2h，然后冷卻至室溫。取出產(chǎn)物，得到黑色膨脹固體。
[0013]3)后處理:將煅燒后的黑色膨脹物加入到500mL燒杯中，加入400mL蒸餾水，過濾，
洗滌除去氯化鈉模板，再用蒸餾水洗滌至中性后干燥。
[0014]上述方法通過簡單的球磨法結(jié)合熱解法制備納米金屬錫粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料，是一種納米金屬錫粒子均勻嵌入到碳納米片中。將所得的復(fù)合材料用于鋰離子電池負(fù)極，測試其在鋰離子電池中的電化學(xué)性能。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明的納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負(fù)極材料中的納米粒子是均勾嵌入到碳納米片中的。在這種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)中，在充放電過程中，納米粒子在是電化學(xué)反應(yīng)