一种电化学性能优良的负极材料及其制备方法和制品技术

本发明专利技术涉及一种电化学性能优良的负极材料及其制备方法和制品，方法为：在负极材料主体的表面沉积类金刚石碳或者在制备负极材料主体的过程中生成的中间产物的表面沉积类金刚石碳后继续制备过程制得电化学性能优良的负极材料，制得的负极材料主要由负极材料主体以及沉积在负极材料主体表面的类金刚石碳组成，由该负极材料制得的制品主要由电池负极极片主体以及位于其单侧或双侧的涂层组成，涂层中含该负极材料。本发明专利技术方法操作简单，节能环保，制得的负极材料的导电性能好，多次充放电循环后的稳定好，由其制品制得的电池多次充放电循环后的容量保持率和首圈库仑效率高，电化学性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种电化学性能优良的负极材料及其制备方法和制品
本专利技术属于电池负极材料领域，涉及一种电化学性能优良的负极材料及其制备方法和制品。
技术介绍
电池的负极材料需具有稳定的晶型结构以及形貌，才能够使得在电池循环过程中的锂离子脱离嵌入时，损耗能大幅度减小，使得电池在循环过程中容量衰减缓慢，进而使得电池的使用寿命长。在国内锂离子电池的研究中，锡基材料具有比容量高和安全性好的优点，但其作为电池的负极材料时，在电池循环嵌脱锂的过程中会因多次充放电循环导致锡基材料出现体积膨胀、容量衰减和循环性能不稳定的问题，此外，锡基材料在钠离子电池和钾离子电池的应用中也同样存在材料结构不稳定导致的循环稳定性能差的问题。因此，科研人员们研究利用优选电极材料、改变电极结构以及改进电极与电解液界面反应等手段改善锡基材料的性能。使用静电纺丝技术制备具有不同结构形貌的纳米纤维并将其应用于电化学领域是近些年科研人员的研究热点。然而人们在研究中发现，纳米纤维状的电极材料虽然能够因具有三维框架结构、比表面积大和结构可控等优势表现出优异的电化学性能，但其仍然存在结构不稳定和力学性能差的问题，该类材料的电化学性能还有很大的提升空间。在静电纺锡基纳米纤维负极材料的制备过程中，科研人员解决其结构不稳定的常规方法是将碳材料作为纳米纤维的支撑骨架，以缓解锡基材料在循环过程中的体积膨胀问题，然而碳化后的纳米纤维基本是无定形碳，结晶度较低，因此其还是会对电池的容量保持率和首圈库伦效率等有一定影响，单纯从碳骨架支撑锡基纳米纤维的形貌结构构建出发很难制得电化学性能优良的电池负极材料。因此，研究一种电化学性能优良的负极材料具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中存在的问题，提供一种电化学性能优良的负极材料及其制备方法和制品。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：电化学性能优良的负极材料，主要由负极材料主体以及沉积在负极材料主体表面的类金刚石碳组成。本专利技术的化学性能优良的负极材料，沉积在负极材料主体表面的类金刚石碳(可以是普通类金刚石碳，也可以是经过碳化高温处理的类金刚石碳)中含有金刚石微晶和石墨微晶，燃点为700℃～800℃(空气中)，含结晶碳且结晶度高，分散在负极材料的主体中，形成支链状导电网络，减小了电池的内阻，提高了电池的正负离子的传导性，大大增强了负极材料的电导率，从而保证电池充放电循环的稳定进行，有利于提高电池循环的容量保持率。作为优选的技术方案：如上所述的一种电化学性能优良的负极材料，所述负极材料主体的形态为纳米纤维膜，纳米纤维的直径为200～350，本专利技术的负极材料主体的形态包括但不限于此，其他能够承受镀膜过程中的温度变化从而成膜的负极材料主体所具有的形态同样适用于本专利技术；所述类金刚石碳的形态为碳纳米颗粒和/或碳纳米棒，碳纳米颗粒的直径为350～400nm。由纳米纤维材料制备的负极材料的电化学性能欠佳可由许多因素导致，如负极材料的理论容量、隔膜的性能、负极材料的形貌结构或结晶度等，本专利技术的纳米纤维膜表面沉积类金刚石碳纳米颗粒或者类金刚石碳纳米棒，形成了特殊的形貌结构，即碳纳米颗粒和/或碳纳米棒与线状纳米纤维段均匀混合，两者自身的基本形状结构不会被破环，两者形成的形貌结构为线状纳米纤维段与点状碳纳米颗粒和/或碳纳米棒的一维与二维的交叉组合，碳纳米颗粒和/或碳纳米棒与纳米纤维间点线结合(碳纳米棒虽然也是线型结构，但其长度与纳米纤维的直径近似，纳米纤维的长度也是远远长于碳纳米棒，因此碳纳米棒与纳米纤维间形成的形貌结构也可认为是点线结合)，改变了纳米纤维负极材料的微观结构，增加了电池如锂离子电池的锂离子的脱嵌通道，提高了电池多次循环后的容量保持率。如上所述的一种电化学性能优良的负极材料，所述负极材料主体为碳骨架支撑金属基纳米纤维膜，金属为锡、钴、铜、钛和锌中的一种以上。本专利技术的负极材料主体为碳骨架支撑金属基纳米纤维膜，由于类金刚石碳含结晶碳且结晶度高，负极材料整体的结晶含量得到显著提升，增加了含碳的负极材料整体的结晶度，能够改善负极材料在充放电循环过程中容量衰减的问题，有利于提高电池多次循环后的容量保持率。如上所述的一种电化学性能优良的负极材料，所述负极材料主体为锡锑/碳纳米纤维膜、锡钛/碳纳米纤维膜或锡锌/碳纳米纤维膜。本专利技术的负极材料主体的种类包括但不限于此，其也为锡合金/碳材料(首次容量高达636mAh/g)或锡氧化物/碳材料(理论容量781mAh/g)。本专利技术还提供制备如上所述的一种电化学性能优良的负极材料的方法，在负极材料主体的表面沉积类金刚石碳或者在制备负极材料主体的过程中生成的中间产物的表面沉积类金刚石碳后继续制备过程制得电化学性能优良的负极材料。作为优选的技术方案：如上所述的方法，所述沉积为气相化学沉积或者为常压等离子体增强化学气相沉积；所述常压等离子体增强化学气相沉积的设备主要由反应箱、载物台固定板、加热温控装置、沉积反应头、等离子主机箱、真空泵、氮气瓶、乙炔气瓶、氦气瓶、氢气瓶和氧气瓶组成；所述反应箱为立方体状结构，侧面I上设有透明的观察窗口，侧面II上设有沉积反应头进出口，侧面III上设有保护气体进口、温控仪进线口和真空泵管连接口；所述载物台固定板位于反应箱内部；所述加热温控装置由分别对应位于反应箱内部和外部的加热器和温控仪组成，加热器和温控仪通过穿过温控仪进线口的导线连接，加热器与载物台固定板连接；所述沉积反应头由两个一大一小且共轴的圆柱筒构成，两个圆柱筒均一端开口、另一端封闭，大圆柱筒的开口端向内延伸成环后与小圆筒的开口端连接，环上设有反应气体进气口，大圆柱筒的封闭端上设有多个微型通孔，小圆柱筒的封闭端上设有电流口、混合气体进气口和光传感器口，所述沉积反应头的中心轴与载物台固定板相互垂直，所述大圆柱筒的封闭端靠近载物台固定板；所述等离子主机箱用于为沉积反应头内部提供频率为20MHz的高频电流并以特定速率向沉积反应头内部输送混合气体，混合气体由氦气与氢气组成或者由氦气与氧气组成；所述氢气瓶、氧气瓶和氦气瓶分别通过进气管与等离子主机箱连接，所述等离子主机箱分别通过电线、进气管和光传感器线与电流口、混合气体进气口和光传感器口连接，所述光传感器线用于判断是否产生均匀的等离子体，所述乙炔气瓶通过进气管与反应气体进气口连接，所述氮气瓶和真空泵分别通过进气管和真空泵管与保护气体进口和真空泵管连接口连接；所述反应箱的顶部安装有压力表，所述保护气体进口处安装有气体压力球阀，所述沉积反应头与固定夹持装置连接，所述微型通孔的孔径为1mm；本专利技术的常压等离子体增强化学气相沉积的设备可实现不同纳米颗粒的沉积及生长实验如二氧化硅纳米薄膜等，还可应用于柔性可穿戴材料的薄膜的生长实验，应用范围广泛；所述常压等离子体增强化学气相沉积的方法为：首先将负极材料主体固定在沉积反应头下方5～10mm的位置，然后用氦气和氧气等离子体的混合气体吹扫负极材料主体表面5～12s，氧气等离子体处理不仅仅是简单的吹扫作用，因为氧气的等离子体刻蚀作用较好，因此使用氧气等离子体可以很高效地除去负极材料的主体如纳米纤维表面的各种杂质，接着抽真空至反应箱内压为0.04～0.06MPa后通入氮气，接着将负极材料主体加热至150～200℃，最后用氦气、氢气等离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学性能优良的负极材料，其特征是：主要由负极材料主体以及沉积在负极材料主体表面的类金刚石碳组成。

【技术特征摘要】
1.一种电化学性能优良的负极材料，其特征是：主要由负极材料主体以及沉积在负极材料主体表面的类金刚石碳组成。2.根据权利要求1所述的一种电化学性能优良的负极材料，其特征在于，所述负极材料主体的形态为纳米纤维膜，纳米纤维的直径为200～350nm，所述类金刚石碳的形态为碳纳米颗粒和/或碳纳米棒，碳纳米颗粒的直径为350～400nm。3.根据权利要求2所述的一种电化学性能优良的负极材料，其特征在于，所述负极材料主体为碳骨架支撑金属基纳米纤维膜，金属为锡、钴、铜、钛和锌中的一种以上。4.根据权利要求3所述的一种电化学性能优良的负极材料，其特征在于，所述负极材料主体为锡锑/碳纳米纤维膜、锡钛/碳纳米纤维膜或锡锌/碳纳米纤维膜。5.制备如权利要求1～4任一项所述的一种电化学性能优良的负极材料的方法，其特征是：在负极材料主体的表面沉积类金刚石碳或者在制备负极材料主体的过程中生成的中间产物的表面沉积类金刚石碳后继续制备过程制得电化学性能优良的负极材料。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述沉积为气相化学沉积或者为常压等离子体增强化学气相沉积；所述常压等离子体增强化学气相沉积的设备主要由反应箱、载物台固定板、加热温控装置、沉积反应头、等离子主机箱、真空泵、氮气瓶、乙炔气瓶、氦气瓶、氢气瓶和氧气瓶组成；所述反应箱为立方体状结构，侧面I上设有透明的观察窗口，侧面II上设有沉积反应头进出口，侧面III上设有保护气体进口、温控仪进线口和真空泵管连接口；所述载物台固定板位于反应箱内部；所述加热温控装置由分别对应位于反应箱内部和外部的加热器和温控仪组成，加热器和温控仪通过穿过温控仪进线口的导线连接，加热器与载物台固定板连接；所述沉积反应头由两个一大一小且共轴的圆柱筒构成，两个圆柱筒均一端开口、另一端封闭，大圆柱筒的开口端向内延伸成环后与小圆筒的开口端连接，环上设有反应气体进气口，大圆柱筒的封闭端上设有多个微型通孔，小圆柱筒的封闭端上设有电流口、混合气体进气口和光传感器口，所述沉积反应头的中心轴与载物台固定板相互垂直，所述大圆柱筒的封闭端靠近载物台固定板；所述等离子主机箱用于为沉积反应头内部提供频率为20MHz的高频电流并以特定速率向沉积反应头内部输送混合气体，混合气体由氦气与氢气组成或者由氦气与氧气组成；所述氢气瓶、氧气瓶和氦气瓶分别通过进气管与等离子主机箱连接，所述等离子主机箱分别通过电线、进气管和光传感器线与电流口、混合气体进气口和光传感器口连接，所述光传感器线用于判断是否产生均匀的等离子体，所述乙炔气瓶通过进气管与反应气体进气口连接，所述氮气瓶和真空泵分别通过进气管和真空泵管与保护气体进口和真空泵管连接口连接；所述反应箱的顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏鑫，唐海军，陈玉，刘豪豪，方丹丹，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65