一类二次电池的电极材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一类二次电池的电极材料及制备方法和用途，所述电极材料的化学通式为：LixCyBzDw；其中，C为碳；B为对Li进行掺杂取代的元素，包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；x,y,z,w分别用于表示对应元素所占的原子比；所述x,y,z,w满足：0≤x+z,y+w≤3，0≤x,y,z,w≤3。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料
，尤其涉及一类二次电极材料及其制备方法和用途。
技术介绍
自1991年锂离子电池商业化以来，能量型锂离子电池的能量密度从最初的90Wh/kg提高至210Wh/kg，仍然达不到动力电池所需的能量密度(500Wh/kg)。其中，电极材料是限制锂离子电池能量密度提高的重要因素。目前，常用的正极材料分为两类，一类是过渡金属的氧化物(如钴酸锂、锰酸锂)，一类是聚阴离子化合物(如磷酸铁锂)。它们的实际比容量始终徘徊在100-180mAh/g之间，成为提升锂离子电池能量密度的瓶颈。提高锂离子电池正极材料的能量密度，一种方法是开发高电压的(～5.0V)正极材料，如目前已知的LiMPO4(M＝Mn、Co等)、LiMn1.5Ni0.5O4等高电压材料；另一种方法是寻找具有高比容量的正极材料(如Mn基富锂正极材料、有机电极材料)。由于目前缺少与高电压材料很好匹配的电解液，高电压电极材料的使用受到了限制，其多方面性能也未有定论。充电电压高、材料的容量发挥必须伴随着氧气的析出、倍率性能差等缺陷同样制约了Mn基富锂材料的应用。有机电极因具有高的比容量、低廉的价格而受到了广泛的关注。C≡C这一有机基团作为电子受体/给体，使得含有C≡C这一有机基团的无机材料成为一种新型的电池正极材料。在离子的嵌入/脱出过程中，碳化物中的C≡C单元作为电子给体和电子受体起作用，使碳化物具有电化学活性。通过以这些碳化物作为母体材料通过掺杂或元素替代可以得到电导率更高、性能更优的正极材料。二次锂电池和二次钠(镁)电池等二次电池与相应的锂离子电池和钠(镁)离子电池等的根本区别在于前者是以相应的金属单质或合金作为电池负极(阳极)的，它们也同样受制于目前正极材料容量偏低等限制。另外，二次钠(离子)电池、二次镁(离子)电池等具有原料资源丰富、具有可持续发展等优点，是目前二次电池的研究热点。但是，这些电池同样面临正极材料比容量低、工作电压低等问题，因此发展新型高性能正极材料也是提高这些新型二次电池性能的迫切需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于突破现有二次电池电极材料的局限性，提供一种高比容量、高安全性、易于合成且价格低廉、环境友好的二次电池电极材料，相应的提供了该电极材料的制备方法，该制备方法具有工艺简单、原料易得等特点，同时还提供了该电极材料的应用，该电极材料可以作为电极活性材料主体使用，也可以作为电极材料的添加剂使用，即也可以与其他活性材料复合使用。第一方面，本方面实施例提供了一类二次电池电极材料，所述电极材料的化学通式为：LixCyBzDw；其中，C为碳；B为对Li进行掺杂取代的元素，包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；x,y,z,w分别用于表示对应元素所占的原子比；所述x,y,z,w满足：0≤x+z,y+w≤3，0≤x,y,z,w≤3。第二方面，本专利技术实施例还提供了一类二次电池的正极极片，包括：集流体，涂覆与所述集流体之上的导电添加剂、粘结剂及如第一方面所述的电极材料。第三方面，本专利技术实施例还提供了一类二次电池的正极极片，包括：集流体，涂覆与所述集流体之上的正极活性材料、导电添加剂和粘结剂；其中，所述正极活性材料由如第一方面所述的电极材料和其他正极材料复合而成。第四方面，本专利技术实施例提供了一种包括上述第二方面所述的正极极片的一类二次电池。第五方面，本专利技术实施例提供了一种包括如上述第三方面所述的正极极片的一类二次电池。第六方面，本专利技术实施例提供了一种如第一方面所述的电极材料的制备方法，所述方法为放电等离子体烧结法，包括：将所需的锂粉、碳粉、B和D按比例混合，研磨均匀形成前驱体；所述B为对Li进行掺杂取代的元素，具体包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，具体包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；将所述前驱体冷压成型，得到所述前驱体的粗坯；将所述粗坯置于真空放电等离子体烧结装置中，在600℃中进行热处理1h，得到粗晶铸锭；在手套箱中将所述粗晶铸锭粉碎，然后放入球磨设备中，进行高能球磨，得到前驱体粉末；将所述前驱体粉末置于真空放电等离子体烧结装置中，在350℃中进行热处理30min，得到所述的电极材料。第七方面，本专利技术提供了一种如第一方面所述的电极材料的制备方法，所述方法为固相法，包括：将所需的锂粉、碳粉、B和D按比例混合，研磨均匀形成前驱体粉末；所述B为对Li进行掺杂取代的元素，具体包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，具体包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；将所述前驱体粉末置于管式炉中，在600℃的氩气气氛中进行热处理5h，得到所述电极材料。第八方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的电极材料作为一类二次电池中的正极活性材料的应用。第九方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的电极材料作为一类二次电池中的正极材料添加剂的应用。第十方面，本专利技术实施例提供了一种上述第四方面所述的一类二次电池的用途，所述二次电池用于太阳能发电、风力发电、只能电网调峰、分布电站、后备电源或通信基站的储能设备。第十一方面，本专利技术实施例提供了一种上述第五方面所述的一类二次电池的用途，所述二次电池用于太阳能发电、风力发电、智能电网调峰、分布电站、后备电源或通信基站的储能设备。本专利技术实施例提供了一类二次电池的电极材料及制备方法，该材料可以单独应用于二次电池的正极活性材料，也可以作为二次电池正极材料的添加剂使用，即可以与其他活性材料复合使用。由此构建的二次电池在充放电过程中没有氧气析出，具有优异的安全性能，并具有比容量高、循环性能好的特点，该电极材料的制备方法简单、过程易于控制、成本低、生成效率高，适合产业化生产。因获得的该电极材料中不含过渡金属，比传统锂离子电池材料更加便宜和环境友好。附图说明图1为本专利技术实施例2提供的一类二次电池的电极材料的制备方法流程图；图2为本专利技术实施例3提供的一类二次电池的电极材料的制备方法流程图图3为本专利技术实施例6制备的Li2C2的XRD图谱；图4为本专利技术实施例6提供的锂电池的充放电曲线图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明，但并不意于限制本专利技术的保护范围。实施例1本专利技术实施例1提供了一类二次电池的电极材料，其的化学通式为：LixCyBzDw；其中，C为碳；B为对Li进行掺杂取代的元素，包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；x,y,z,w分别用于表示对应元素所占的原子比；所述x,y,z,w满足：0≤x+z,y+w≤3，0≤x,y,z,w≤3。需要说明的是，所述电极材料LixCyBzDw中的掺杂取代元素B可以部分或全部替换Li；D元素可以部分或全部替换C；B和D可以只替换一种元素，也可以同时替换两种元素。本专利技术实施例提供的电极材料主要用于锂离子二次电池，也可以用在二次锂电池、二次钠(离子)电池、二次镁(离子)电池、锂-硫电池等二次电池领域。该电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类二次电池的电极材料，其特征在于，所述电极材料的化学通式为：LixCyBzDw；其中，C为碳；B为对Li进行掺杂取代的元素，包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；x,y,z,w分别用于表示对应元素所占的原子比；所述x,y,z,w满足：0≤x+z,y+w≤3，0≤x,y,z,w≤3。

【技术特征摘要】
1.一类二次电池的电极材料，其特征在于，所述电极材料的化学通式为：LixCyBzDw；其中，C为碳；B为对Li进行掺杂取代的元素，包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；x,y,z,w分别用于表示对应元素所占的原子比；所述x,y,z,w满足：0≤x+z,y+w≤3，0≤x,y,z,w≤3。2.一类二次电池的正极极片，其特征在于，所述正极极片包括：集流体，涂覆于所述集流体之上的导电添加剂、粘结剂及如权利要求1所述的电极材料。3.一类二次电池的正极极片，其特征在于，所述正极极片包括：集流体，涂覆于所述集流体之上的正极活性材料、导电添加剂和粘结剂；其中，所述正极活性材料由如权利要求1所述的电极材料和其他正极材料复合而成。4.一种包括上述权利要求2所述的正极极片的一类二次电池。5.一种包括上述权利要求3所述的正极极片的一类二次电池。6.一种如上述权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法为放电等离子体烧结法，包括：将所需的锂粉、碳粉、B和D按比例混合，研磨均匀形成前驱体；所述B为对Li进行掺杂取代的元素，具体包括Na、K、Be、Mg、Ca、Al中的任意一种或多种；D为对C进行掺杂取代的元素，具体包括Si、B、N、P、As、O、S中的任意一种或多种；将所述前驱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：田娜，王兆翔，陈立泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11