一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种亚微米‑纳米金属锂颗粒的制备方法，该制备方法包括：在惰性气体或者干燥空气氛围下，将金属锂原料与离子液体进行混合，依次经加热、超声波破碎处理，得到含亚微米‑纳米金属锂颗粒的离子液体；再经后处理，得到金属锂颗粒。本发明专利技术通过对含金属锂原料的离子液体进行加热和超声破碎处理，制备得到具有亚微米‑纳米尺度的金属锂颗粒，大大提升了锂材料的反应活性，缩短金属锂颗粒的制备时间，提高金属锂颗粒的制备效率。

A preparation method of submicron nano lithium metal particles

The invention discloses a method for preparing submicron nano lithium metal particles, the preparation method comprises: in an inert gas or air dry atmosphere, the lithium metal materials and ionic liquids are mixed, followed by heating, ultrasonic processing, obtaining ionic liquid containing submicron nano lithium metal particles; after postprocessing, the metal lithium particle. The present invention of ionic liquid containing lithium metal material by heating and ultrasonic treatment, preparation of lithium metal particles with submicron nanometer scale, greatly enhance the reactivity of lithium materials, shorten the time for preparation of lithium metal particles, improve the efficiency of preparation of lithium metal particles.

【技术实现步骤摘要】
一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法
本专利技术涉及金属锂颗粒的制备，具体涉及一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法。
技术介绍
随着科技的发展与人类社会的进步，能源枯竭和环境污染问题日益凸显，开发新型高效、清洁的能量转化、存储技术和能量利用方式成为解决这些问题和实现人类社会可持续发展的关键。化学电源是缓解能源、资源和环境危机问题的一种重要技术途径，在社会能源体系中起到重要作用。锂是一种银白色的金属，质地很轻(密度0.59g/cm3)，延展性和导电性好。金属锂的理论比容量高达3860mAh/g，是理论比容量最高的材料之一，而Li+/Li的标准电极电位-3.045V，是所有氧化还原电对中最低的。因此，金属锂是一种极具应用前景的电池负极材料。但是金属锂作为锂二次电池、锂硫电池和锂空气电池的负极材料存在的问题同样非常明显，主要是锂沉积/溶解过程中锂枝晶的形成会刺破隔膜，导致严重的安全问题，同时电解液和金属锂之间不稳定的固态电解质界面膜(SolidElectrolyteInterfaceLayer，SEI膜)会使得电解液和金属锂被大量消耗，进而导致库伦效率较低。金属锂粉被广泛应用于锂二次电池、锂硫/锂空气电池、有机锂化合物的合成以及航空航天等领域。制备颗粒度很小而且粒径分布均匀的金属锂粉末可以大大降低金属锂在电化学沉积过程中产生枝晶的速率，并且使得锂在上述领域的利用效率大大提高。然而，金属锂自身的高反应活性、大的粘性和良好的延展性使得微纳米尺度的金属锂粉末很难利用机械粉粹等常用方法合成。目前采用的熔融后在惰性的烃油中分散的方法制备金属锂粉，存在如下问题：操作温度较高，需要超过金属锂的熔点；熔融的金属锂腐蚀性强，对设备要求比较苛刻；需要高沸点的烃油用于分散熔融锂的液滴，同时还需要低沸点的烃油用于洗涤锂粉，导致环境污染大，制备方法繁琐，制备产率低；制备的金属锂粉中值粒径仍然较大，在10-500μm之间，无法制备亚微米-纳米尺度的锂粉。
技术实现思路
本专利技术提供了一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法，该方法能够制备得到亚微米-纳米级别的金属锂颗粒，缩短金属锂颗粒的制备时间，提高金属锂颗粒的制备效率。本专利技术的技术方案如下：一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法，包括：在惰性气体或者干燥空气氛围下，将金属锂原料与离子液体进行混合，依次经加热、超声波破碎处理，得到含亚微米-纳米金属锂颗粒的离子液体；再经后处理，得到金属锂颗粒。具体地，所述惰性气体为氩气。所述金属锂原料可以为锂粒、锂片、锂块或者锂丝等各类形状；若直接食用，则需要保证金属锂原料至少在一个维度上的尺寸不大于3cm；当所述金属锂原料在三个维度上的尺寸均大于3cm时，则需要经过机械力处理，使其尺寸满足要求，才能应用到本专利技术方法中。由于大部分离子液体的分解温度都高于金属锂的熔点，所述离子液体的可选范围宽，不需要对离子液体和金属锂进行其它预处理，有效简化制备工艺。上述离子液体的选择原则为：采用不与金属锂发生化学反应的离子液体，同时选用的离子液体沸点在金属锂的熔点以上，加热至金属锂的熔点附近不会发生分解。进一步优选，所述离子液体的阳离子为咪唑、吡啶、季铵、季磷或吡咯的烷基取代物；阴离子为六氟磷酸根离子、四氟硼酸根离子、六氟砷酸根离子、卤素阴离子、双(氟甲烷磺酰)亚胺离子或双(三氟甲烷磺酰)亚胺离子。绝大多数离子液体在金属锂熔点以下可以保持其物理化学性质的稳定性，同时离子液体的存在可以有效阻止超声破碎后的金属锂颗粒团聚。常规购买的离子液体中时常带有少量水分，而该水分会与金属锂反应，而无法实现金属锂颗粒的制备；所以，为了防止上述情况的发生，所述离子液体在与金属锂原料混合前，需提前进行加热，去除离子液体中的水分。作为优选，在混合之前，将所述离子液体进行加热预处理，去除离子液体中的分水。具体的，所述加热预处理的温度为100～250℃，保温时间为30min～12h。作为优选，所述金属锂原料在离子液体中的质量分数为1～90％；更优选，质量分数为5％-40％。所述加热的温度既可以超过金属锂的熔点温度(180.5℃)，也可以低于金属锂的熔点温度。加热后，金属锂原子在晶格中的振动速度加快，有助于金属锂的破碎。但由于加热温度超过金属锂熔点温度后，离子液体中的金属锂呈液态，化学反应活性很高，对容器和设备的腐蚀性较强。作为优选，所述加热的温度为120～170℃。本专利技术对于加热的时间无严格要求，只需保证加热温度达到目标温度即可。作为优选，所述超声波破碎的功率为10～2000w；进一步优选，所述超声波破碎的功率为50～500W。作为优选，所述超声波破碎的时间为0.5～600min。超声波作为外部能量源之一，可以在低于金属锂的熔点温度下形成局部能量较高的区域，使得金属锂的晶格被破坏，进而将金属锂分散为微纳米尺度的颗粒。更优选，超声波破碎的时间为30min。所述后处理包括：将含亚微米-纳米金属锂颗粒的离子液体进行洗涤、离心和干燥，得到金属锂颗粒。在超声波破碎处理后，可以得到分散有亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒的离子液体，该离子液体经浓缩后，可以直接用于制作锂离子电池负极；也可以用有机溶剂来洗涤离子液体，并通过离心和干燥后，进一步得到金属锂颗粒。所述有机溶剂可以为烃类溶剂、酯类溶剂、酰胺类溶剂或醚类溶剂；进一步优选，所述有机溶剂为沸点较低的烃类溶剂。本专利技术制得的亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒末可以应用于锂二次电池作为负极材料，也可以作为预嵌锂的锂源应用于锂离子电池电极材料，还可以应用于有机锂化合物的合成。本专利技术制得的亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术通过对含金属锂原料的离子液体进行加热和超声破碎处理，制备得到具有亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒，大大提升了锂材料的反应活性，缩短金属锂颗粒的制备时间，提高金属锂颗粒的制备效率。(2)本专利技术制备方法简单，生产成本较低，制备金属锂颗粒的效率高、时间短。(3)本专利技术由于不需要加热到金属锂的熔点以上，所以能够在降低能耗的同时，降低对设备的要求，不需要设备做特殊的耐腐蚀处理，生产的安全性也得以提高。(4)本专利技术选择离子液体作为分散剂，利用离子液体的高导电性能，可以提高金属锂颗粒之间的电接触；而且离子液体在常温下的蒸汽压极低，不妨碍分散在液相中的金属锂颗粒进行SEM、TEM等形貌表征。附图说明图1为本专利技术实施例1制备得到的亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒的X射线衍射图；图2为本专利技术实施例1制备得到的亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒的扫描电子显微镜照片；图3为本专利技术实施例1制备得到的亚微米-纳米尺度的金属锂颗粒碾压在泡沫镍上作为电极材料的循环曲线。具体实施方式实施例1在氩气气氛的手套箱中，将10mLN-丙基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐([C3mPyr+][TFSI-])加入到不锈钢球磨罐，然后加热到250℃，并保温1小时，以除去其中的水分。再将[C3mPyr+][TFSI-]降温到170℃，加入1.5g粒径在1～2mm之间的锂粒；使用超声波破碎仪进行超声破碎，超声功率保持在60W，超声时间为30分钟；得到的产物用正己烷洗涤后，再经过离心、干燥后制得金属锂颗粒。图1为制备的金属锂颗粒的扫描电镜图，扫描电镜图显示制备的金属锂颗粒形状较为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚微米‑纳米金属锂颗粒的制备方法，其特征在于，包括：在惰性气体或者干燥空气氛围下，将金属锂原料与离子液体进行混合，依次经加热、超声波破碎处理，得到含亚微米‑纳米金属锂颗粒的离子液体；再经后处理，得到金属锂颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种亚微米-纳米金属锂颗粒的制备方法，其特征在于，包括：在惰性气体或者干燥空气氛围下，将金属锂原料与离子液体进行混合，依次经加热、超声波破碎处理，得到含亚微米-纳米金属锂颗粒的离子液体；再经后处理，得到金属锂颗粒。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在混合之前，将所述离子液体进行加热预处理，去除离子液体中的分水。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述加热预处理的温度为100～250℃，保温时间为30min～12h。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体中的阳离子为咪唑、吡啶、季铵、季磷或吡咯的烷基取代...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永锋，蒲凯超，高明霞，潘洪革，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33