一种电池复合电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种电池复合电极材料及其制备方法和应用。该电池复合电极材料的制备方法包括如下步骤：将磷单质、锡单质以及石墨混合在惰性气体气氛下球磨即得。其中，球磨为高能球磨，转速优选为100r/min～900r/min。本发明专利技术提供的方法可以通过球磨使得三者均匀分散，并将所获得的复合电极材料用于锂离子电池和钠离子电池电极材料。该方法与传统磷化物或红磷复合合成方法相比更为便捷，制得的材料表面具有一定孔隙，具有但分散性，在材料生产过程中具有便捷性、环保清洁等优势。本发明专利技术得到的复合电极材料作为锂离子电池和钠离子电池电极材料表现出了优越的比容量、充放电循环稳定性和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种电池复合电极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及复合材料领域，更具体地，涉及一种电池复合电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
不管对新能源汽车还是太阳能风能等可再生能源的利用来讲，性能优异的可充电电池都是极其重要的。对于新能源汽车，电容量大，输出功率高的电池可以为新能源汽车带来足够的动力和续航；而对于太阳能风能等可再生能源的利用来说，需要大型的性能优异的电能储存装置将这些能量存储起来，以便顺利地将这些电能供应到电网中，否则就无法充分利用这些能量。碱金属离子(Li+/Na+)电池由于其固有的安全性，而成为电网储能的新兴候选体系之一，同时在早期的研究中研究人员针对该电池体系做了一些初步探索。近年来，锂离子电池和钠离子电池因具有锂/钠资源储量丰富，分布广泛和成本低廉等优势而受到越来越多的关注。锂离子电池是继镍氢等传统蓄电池之后的新一代可充电电池，由日本索尼公司于1990年最先研发成功。锂离子电池工作原理简单，具有较好的安全性和较长的充放电寿命，被认为是新型动力源的首选。锂离子电池在具有以下优点。工作电压高。一节锂离子电池的放电电压相当于3节传统蓄电池，同等使用条件下，大大减少电池使用量。能量密度高。是普通蓄电池的2至3倍，加上体积小、重量轻。循环使用寿命长。使用寿命长达10至15年，与传统蓄电池7至8年相比，降低了造价高昂带来的影响。无环境污染。不含铅、汞等重金属，是一种洁净的“绿色”能源。无记忆效应。可随意充放电，尤其在战时和紧急情况下显示出优异的使用性能，几乎不需要任何维护，此外，还有安全性能高、工作温度范围宽等优点。同时，碱金属电池还可以用其他金属作为正极。钠在海洋中无处不在，而且储量是锂的几千倍，更容易获得，这使得钠金属电池比锂电池更受科学家们的喜爱。与钠离子电池相比，金属钠电池具有足够高的电压，较长的循环使用寿命和快速的充放电速率。因此钠金属电池被看作取代锂电池的新一代电池体系之一。但是，由于钠离子具有较大的离子半径(钠离子：锂离子：)，使得其动力学过程较为缓慢，电化学性能难以满足实际应用需求。因此，探索高容量长循环寿命的钠离子电池的电极材料是钠离子电池走向应用的关键之一。在众多负极材料中，红磷由于具有极高的理论比容量(2595mAh/g)，低廉的价格、环境友好等优点，逐渐发展为负极材料研究的重点。然而，当用于锂离子电池和钠离子电池因负极材料时，红磷其本身低的电子电导和循环过程中巨大的体积变化，会使得其储锂、储钠性能迅速恶化。一些具有特殊结构的新型碳基材料(碳纳米管、碳球、石墨烯、石墨等)可以作为增强材料与锂离子电池和钠离子电池活性电极材料复合，在增强导电性的同时，提升样品的倍率性能。然而，对与单质复合而言，锡单质、红磷单质的粒径较大。在现有技术中暂未提供这样一种电极材料可以具有如上所述的较佳的性能。
技术实现思路
为解决现有磷化锡电极材料所存在的结构不稳定、粒径大、导电率低、寿命周期短，比容量差，倍率性能差等问题，本专利技术的第一目的在于提供一种电池复合电极材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：将磷单质、锡单质以及石墨混合在惰性气体气氛下球磨即得。在现有技术中，采用简单的机械混合会导致锡单质、磷单质、与碳材料的分层，没有实质性的改变导致材料电化学性能较差，球磨尤其是高能球磨是一种充分分散的反应器，这种方法不但可以充分分散，还可以减小粒径增加表面能，增加储锂/钠活性位点，但是如果高能球磨碳纳米管和石墨烯，专利技术人通过多次实验没有得到很好地效果，事实上，在高能球磨下，石墨烯的片状结构和碳纳米管的管状结构被破坏，无法保护活性材料发挥电化学性能。在高能球磨下碳材料的选用上，使用价格更加便宜同时片层更加厚的石墨。石墨导电性好，结晶度高，具有良好的层状结构，很适合锂离子的嵌入与脱出。而且锂在嵌入石墨后形成LiC6的结构，充放电效率和工作电压都较高。而且石墨韧性较好，与金属锡和磷形成复合电极可以缓解锡和磷的体积膨胀，阻止磷锡颗粒的粉化。本专利技术提供的方法可以通过高能球磨使得三者均匀分散，并将所获得的复合电极材料用于锂离子电池和钠离子电池电极材料。该方法与传统磷化物或红磷复合合成方法相比更为便捷，制得的材料表面具有一定孔隙，具有但分散性，在材料生产过程中具有便捷性、环保清洁等优势，是一种极为优良的低能耗的无机材料合成方法。使用本专利技术的制备方法得到的电池复合材料磷单质和锡单质通过高能球磨减小了粒径，且并没有影响结晶性。该方法简单易行、成本低廉，所得到的复合材料作为锂离子电池和钠离子电池电极材料表现出了优越的比容量、充放电循环稳定性和倍率性能。在本专利技术具体实施方式中，磷单质优选为红磷单质。在本专利技术具体实施方式中，石墨优选为片层石墨(微观)。在本专利技术中，磷单质、锡单质以及石墨优选为粉状的形式(宏观上)混合。其中，石墨优选为3000～4000目。在本专利技术一个优选实施方式中，所述磷单质、锡单质的摩尔比为1:5～5:1，优选为(1～5)：4，进一步优选为(3～4):4。在本专利技术一个优选实施方式中，所述石墨的加入量为所述磷单质和锡单质的总质量的1:1～1:9，优选为1:1～1:5，进一步优选为1:1.5～1:3。在本专利技术一个优选实施方式中，所述球磨的球料比为20:1～150:1，优选为50:1～130:1，进一步优选为70:1～80:1。在本专利技术一个优选实施方式中，所述球磨的转速为100r/min～900r/min，优选为200r/min～700r/min，进一步优选为300r/min～400r/min。在本专利技术一个优选实施方式中，所述球磨的时间为5～50h，优选为15～45h，进一步优选为30～40h。在本专利技术中球磨在球磨罐中进行，球磨罐的材料包括但不限于不锈钢材质，可以是玛瑙、二氧化锆等材质等不会再高能状态下与反应物发生化学反应的材料。本专利技术的球磨介质可以为不锈钢磨珠、玛瑙球、二氧化锆球等其他物相稳定的介质中的一种或多种，球磨介质的直径为0.1～0.5cm。在本专利技术一个优选实施方式中，电池复合电极材料的制备方法包括如下步骤：将红磷单质、锡单质以及石墨混合，在惰性气体气氛下，在转速为100r/min～900r/min下球磨5～50h即得；所述红磷单质、锡单质的摩尔比为1:5～5:1；所述石墨的加入量为所述红磷单质和锡单质的总质量的1:1～1:9；所述球磨的球料比20:1～150:1。本专利技术的惰性气体可以为氩气或是氮气。本专利技术的制备方法得到的电池复合电极材料为磷-锡@石墨复合电极材料，该材料具有各组分具有单分散性相并互联结的微钠结构，磷与锡表面有一定的纳米孔隙。在加入石磨后进行反应后，高能球磨没有损害石墨的结构，而且阻止了磷和锡的化合反应，并作为插层为三者的协同作用提供了桥梁，石墨紧紧结合在他们的表面，三者的协同作用改善了材料的电子传输和离子传输效率。即本专利技术的另一目的在于提供由上述制备方法得到的电池复合电极材料。其中，本专利技术的电池优选为锂离子电池或钠离子电池。本专利技术的再一目的在于提供上述制备方法或由上述制备方法得到的电池复合电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将磷单质、锡单质以及石墨混合在惰性气体气氛下球磨即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种电池复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将磷单质、锡单质以及石墨混合在惰性气体气氛下球磨即得。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷单质、锡单质的摩尔比为1:5～5:1。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述磷单质、锡单质的摩尔比为(1～5)：4。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨的加入量为所述磷单质和锡单质的总质量的1:1～1:9。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙黎，张元星，张以河，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11