一种锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC，所述的锂硼碳LiBC采用固相法合成，原料为氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料；氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料的比例为0.8‑1.3:0.8‑1.2:0.8‑1.2；所述的氢化锂的纯度大于97.0％，无定型硼粉的纯度大于95.0％。本发明专利技术制备获得的锂硼碳LiBC可以作为电极材料成功的用在锂离子电池中，并且具有大容量、优异的循环性能，测试电压范围在0‑3V。

Lithium boron carbon LiBC electrode material for lithium ion battery and preparation method and application thereof

The present invention provides a high performance lithium ion battery electrode material lithium boron carbon LiBC. The lithium boron carbon LiBC is synthesized by solid phase method. The raw material is lithium hydride, amorphous boron powder and amorphous carbon material; the ratio of lithium hydride, amorphous boron powder and amorphous carbon material is 0.8 1.3:0.8 1.2:0.8 1.2; the purity of lithium hydride is described. Greater than 97%, the purity of amorphous boron powder is more than 95%. The lithium boron carbon LiBC obtained by this invention can be used as the electrode material successfully in the lithium ion battery, and has large capacity and excellent cycle performance, and the test voltage range is 0 3V.

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂电池领域，特别涉及一种锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC及其制备方法和应用。
技术介绍
LiBC的合成最早是在1995年由等人合成并介绍了该材料的一些晶体结构和性质，未提及材料的电化学性能。之后KaiLiu等人申请了第一篇LiBC合成专利，采用的原料是金属锂，硼和石墨，用两种合成方法在1000℃以上合成了LiBC。2011年，QiangXu等人用密度泛函计算并预言了LiBC是一种高性能的锂离子电池电极材料。2012年，ThorstenLanger在铌坩埚中高温烧结(1800K,15mins)合成了LiBC,并用涂覆的方法制作电极并进行电化学测试，结果显示该材料具有很低的容量，实验以失败告终。前人合成的LiBC多采用金属锂的颗粒、碎片或粉末作为锂源，石墨作为碳源，在钽坩埚、铌坩埚或其它的密闭体系中及更高的温度下烧结，通常烧结温度大于1000℃，且在研究LiBC的电化学性能时，暴露在空气中的时间较长，两个原因导致材料容量无法正常释放出来。我们经过大量实验证明，合成的LiBC材料的温度越高，结晶性越好，相反材料的容量越低，容量反而很难释放出来。此外，材料的合成过程以及极片的制作过程中材料暴露在空气中的时间越长，会生成一些碳酸盐、硼酸盐以及其它的氧化物，导致材料失效。
技术实现思路
鉴以此，本专利技术提出一种锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC及其制备方法和应用。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC，所述的锂硼碳LiBC采用固相法合成，原料为氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料；氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料的摩尔比比例为0.8-1.3:0.8-1.2:0.8-1.2。进一步的，氢化锂、无定型硼粉和乙炔黑的比例为1-1.05:1:1；所述的氢化锂的纯度大于97.0％，无定型硼粉的纯度大于95.0％。一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在充满氩气、水氧值<0.1ppm的手套箱中，称量硼粉和乙炔黑，在研钵中充分研磨，使其充分混合；步骤2：在步骤1所得粉末中，加入LiH，继续研磨至充分研磨；步骤3：将步骤2中，研磨好的粉末放入模具中，进行压片；步骤4：取出压好的片，放入钽箔作为内衬的不锈钢容器中；步骤5：在惰性气氛下，于石英管式炉中烧结；步骤6：烧结完毕后，取出样品，样品颜色随LiH的加入量多少从黑色到金黄色不同。进一步的，所述步骤5中，烧结温度为700-900摄氏度，烧结8-12h，烧结气氛为氩气，气流大小恒定，为20-200ml/min。进一步的，所述步骤6中，所得样品需要放置在手套箱，处于惰性气体保护中。一种锂硼碳电极的制备方法，采用干法擀膜法制备，包括以下步骤：步骤1：在手套箱里，称量锂硼碳LiBC材料、PTFE和导电剂炭黑，混合并充分研磨，然后放在对辊机上，调节压片厚度进行擀磨成片；步骤2：极片擀膜完成后，用冲子制成圆片；步骤3：将步骤2所得圆片压在铜网或者不锈钢网上，制成锂硼碳电极。一种锂硼碳电极的制备方法，采用湿法涂覆法制备，包括以下步骤：步骤1：在手套箱里，将锂硼碳LiBC材料和导电剂充分研磨均匀，研磨时间在30min以上；步骤2：加入4-6％PVDF溶液和适量的NMP溶剂形成浆料，最后在铜箔上涂覆成膜；步骤3：将步骤2所得覆膜铜箔快速从手套箱取出，放在真空干燥箱真空干燥至溶剂完全挥发；步骤4：烘干后立即放入手套箱中，用冲子冲成圆片，制成锂硼碳电极。进一步的，所述步骤2中，在涂覆过程中不断的在浆料中加入NMP溶剂，保持浆料处于湿润状态。进一步的，所得电极需要放置在手套箱，处于惰性气体保护中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术公开了一种可以作为锂电池电极材料的锂硼碳LiBC材料；2)本专利技术采用LiH代替原来的金属锂作为锂源，用乙炔黑等无定型碳材料代替石墨以及其它的作为碳源，成本更低，操作也相对安全；3)本专利技术采用无定形碳在相对低的温度下合成了具有高容量的LiBC材料；4)本专利技术反应容器可以有效的保护材料不被污染，并且可以重复使用，便于多次合成；5)本专利技术专利技术使用的800℃制备温度可以节约生产成本，降低对合成仪器的要求；6)本专利技术公开了锂硼碳LiBC材料的材料性质：在空气中容易被氧化，失去容量，结晶性越好的LiBC，容量越低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术烧结装置石英管式炉的示意图；图2为本专利技术实施例1-3、对比例1的材料广角衍射图；图3为本专利技术实施例1-3、对比例1材料的充放电曲线图；图4为本专利技术实施例2、对比例2-4的材料广角衍射图；图5为本专利技术实施例2、对比例2-4材料的充放电曲线图；图6为本专利技术实施例4-6的材料广角衍射图；图7为本专利技术对比例5-7的材料扫描电镜图；图8为本专利技术对比例5-7的材料XRD和电化学性能图；图9为本专利技术实施例2材料氧化结果XRD实验图；图10为本专利技术实施例2材料扫描电镜和电化学曲线图。具体实施方式为了更好理解本专利技术
技术实现思路
，下面提供一具体实施例，并结合附图对本专利技术做进一步的说明。一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC，所述的锂硼碳LiBC采用固相法合成，原料为氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料；氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料的比例为0.8-1.3:0.8-1.2:0.8-1.2；所述的氢化锂的纯度大于97.0％，无定型硼粉的纯度大于95.0％。进一步的，氢化锂、无定型硼粉和乙炔黑的比例为1-1.05:1:1。实施例1：步骤1：在充满氩气、水氧值<0.1ppm的手套箱中，称量无定型硼粉和乙炔黑，在研钵中充分研磨30min以上，使其充分混合；步骤2：在步骤1所得粉末中，加入LiH，继续研磨30min以上；步骤3：将步骤2中，研磨好的粉末放入模具中，进行压片；步骤4：取出压好的片，放入钽箔作为内衬的不锈钢容器中,放入石英管式炉中；步骤5：在惰性气氛下，于石英管式炉中烧结，烧结温度为700摄氏度，烧结10h，烧结气氛为氩气，气流大小恒定，为100ml/min；步骤6：烧结完毕后，取出样品，样品颜色随LiH的加入量多少从黑色到金黄色不同，所得样品需要放置在手套箱，处于惰性气体保护中。实施例2：步骤1：在充满氩气、水氧值<0.1ppm的手套箱中，称量无定型硼粉和乙炔黑，在研钵中充分研磨30min以上，使其充分混合；步骤2：在步骤1所得粉末中，加入LiH，继续研磨30min以上；步骤3：将步骤2中，研磨好的粉末放入模具中，进行压片；步骤4：取出压好的片，放入钽箔作为内衬的不锈钢容器中，放入石英管式炉中；步骤5：在惰性气氛下，于石英管式炉中烧结，烧结温度为800摄氏度，烧结10h，烧结气氛为氩气，气流大小恒定，为100ml/min；步骤6：烧结完毕后，取出样品，样品颜色随LiH的加入量多少从黑色到金黄色不同，所得样品需要放置在手套箱，处于惰性气体保护中。实施例3：步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC，其特征在于，所述的锂硼碳LiBC采用固相法合成，原料为氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料；氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料的摩尔比比例为0.8‑1.3:0.8‑1.2:0.8‑1.2。

【技术特征摘要】
1.一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC，其特征在于，所述的锂硼碳LiBC采用固相法合成，原料为氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料；氢化锂、无定型硼粉和无定型碳材料的摩尔比比例为0.8-1.3:0.8-1.2:0.8-1.2。2.根据权利要求1所述的高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC，其特征在于，氢化锂、无定型硼粉和乙炔黑的比例为1-1.05:1:1；所述的氢化锂的纯度大于97.0％，无定型硼粉的纯度大于95.0％。3.一种高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在充满氩气、水氧值<0.1ppm的手套箱中，称量硼粉和乙炔黑，在研钵中充分研磨，使其充分混合；步骤2：在步骤1所得粉末中，加入LiH，继续研磨至充分研磨；步骤3：将步骤2中，研磨好的粉末放入模具中，进行压片；步骤4：取出压好的片，放入钽箔作为内衬的不锈钢容器中；步骤5：在惰性气氛下，于石英管式炉中烧结；步骤6：烧结完毕后，取出样品，样品颜色随LiH的加入量多少从黑色到金黄色不同。4.根据权利要求3所述的高性能锂离子电池电极材料锂硼碳LiBC的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，烧结温度为700-900摄氏度，烧结8-12h，烧结气氛为氩气，气流大小恒定，为20-200ml/min。5.根据权利要求3所述的高性...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德，贾建峰，陈永，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：海南,46