丝瓜络生物质碳负载红磷的锂离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法，所述本发明专利技术是通过以红磷与丝瓜络生物质碳为原料，通过将丝瓜络生物质碳处理以后以一定的比例与红磷混合，然后隔绝氧气进行高温煅烧得到红磷与生物质碳复合电池负极材料，根据本发明专利技术，生物质碳材料拥有成本低廉、碳化操作简单等天然优势，并且生物质碳材料孔隙结构丰富、生物质碳材料比表面积大、且生物质碳材料前驱体表面具有含氧活性基团等优点，经过高温碳化后的生物质碳与红磷复合电池负极材料不仅克服了红磷导电性较差的缺点，而且又利用生物质碳表面多孔的结构，有效缓冲红磷在充放电过程中的体积膨胀问题。

Study on the cathode material of Luffa complex biomass carbon loaded red phosphorus lithium ion battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
丝瓜络生物质碳负载红磷的锂离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池负极材料领域，具体是丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池作为重要的能源存储系统中的一种，已经广泛应用于各种电子设备中，如移动电话，便携式计算机等等。锂离子电池主要具有工作电压高、比容量大、循环寿命长等优点。目前，商业锂离子电池已经取得巨大的成功，但低容量和倍率性能较差仍然较大程度上限制了它的进一步发展，广泛地探索拥有高能量密度和优异的倍率性能的负极材料仍然是其重要的发展方向。在合金转化型储锂的负极材料中，红磷(RedP)具有其2596mAh·g-1高的理论容量备受关注。但是，红磷的电导率较低，并且嵌锂后红磷体积膨胀所产生的应力变化极易破坏电极结构，导致其循环稳定性差，容量不高，阻碍了其进一步的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法，通过制备丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料，利用红磷理论比容量以及高温碳化处理的生物质碳导电性与多孔隙结构，达到制备比容量大，导电性及循环性优良的电池负极材料的目的，以解决红磷的电导率较低，并且嵌锂后红磷体积膨胀所产生的应力变化极易破坏电极结构，导致其循环稳定性差，容量不高等问题，其技术方案如下：所述丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法，具体包括以下步骤：(1)剪切丝瓜络，预处理去除杂质，得到纯净的丝瓜络，纯净的丝瓜络干燥后充分研磨并称重，得到混合丝瓜络生物质前驱体；(2)称取红磷，按照一定质量比混合得到的丝瓜络生物质前驱体并进一步研磨；(3)将丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物置于管式炉并通入气体保护，将丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物进行高温渗磷；(4)管式炉降温至一定温度且保温一段时间；(5)管式炉自然冷却至室温后取出，即得丝瓜络生物质碳负载红磷复合材料；(6)将丝瓜络生物质碳负载红磷复合材料、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按一定质量比研磨混合均匀，然后加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂并搅拌混合均匀得到电池浆料；所述将电池浆料分别滴涂在切好的泡沫镍上并干燥，泡沫镍上冲压成电极片作为锂离子电池的电极；泡沫镍上的电池浆料及所得到的丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料；所述本专利技术所得到的红磷与丝瓜络生物质碳复合电池负极材料的结构、形貌和性质是采用X-射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)等手段进行表征；本专利技术以锂片为对电极，组装锂离子电池衡量该负极材料的储锂电化学性能；将组装好的锂离子电池静置24h后进行恒电流充放电测试，充放电电压范围为0.01-3.0V，在25±1℃环境中循环其充放电循环稳定性及倍率特性。作为本专利技术进一步的方案：所述步骤(1)中的丝瓜络生物质与红磷混合研磨后颗粒大小控制在60目以上。作为本专利技术进一步的方案：所述步骤(2)中的管式炉内的气体为氩气。作为本专利技术进一步的方案：所述步骤(3)中的丝瓜络生物质碳与红磷混合物高温渗磷的温度为500～700℃，丝瓜络生物质碳与红磷混合物高温渗磷的时间为10～30min，丝瓜络生物质碳与红磷混合物高温渗磷的升温速率为2～8℃/min。作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤(4)中的丝瓜络生物质碳与红磷混合物降温的保温温度为260～300℃，丝瓜络生物质碳与红磷混合物降温的保温时间为8～16h。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：所述丝瓜络生物质碳材料为植物丝瓜成熟果实的维管束，材料来源广，成本低，无污染；所述丝瓜络生物质碳负载红磷的锂离子电池负极材料的制备方法操作简单，易于实现工业化生产；所述所制备的丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子电池负极材料，红磷纳米颗粒均匀嵌入在多孔状生物碳内，红磷纳米颗粒兼容红磷高理论比容量的特性和高温碳化后生物质碳材料的高导电性，红磷纳米颗粒提高了电极材料的导电性，红磷纳米颗粒能够有效缓解红磷在充放电过程中存在的体积膨胀问题，从而实现高比容量，长循环稳定性和优异的倍率性；根据本专利技术可以简单、大量制备出红磷与丝瓜络生物质碳复合电池负极材料，红磷与丝瓜络生物质碳复合电池负极材料结构稳定，红磷与丝瓜络生物质碳复合电池负极材料储锂稳定性良好；本专利技术提供了极具应用前景的制备红磷与丝瓜络生物质碳复合电池负极材料的方法，组合成丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料；所述将红磷与碳材料复合是一种改善/提高红磷负极电化学储锂的有效途径，将红磷嵌入三维多孔结构的碳材料中，增加红磷电极导电性以及能有效缓冲其充放电过程中的体积膨胀；生物质碳材料拥有成本低廉、碳化操作简单等天然优势，并且生物质碳材料孔隙结构丰富、生物质碳材料比表面积大、且生物质碳材料前驱体表面具有含氧活性基团等优点，经过高温碳化后的生物质碳与红磷复合电池负极材料不仅克服了红磷导电性较差的缺点，而且利用生物质碳表面多孔的结构，生物质碳与红磷复合电池负极材料有效缓冲红磷在充放电过程中的体积膨胀问题。附图说明图1为丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法中的的制备的的XRD谱图。图2为丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法中的Raman谱图。图3为丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法中的SEM图。图4为丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法中在200mA/g电流密度下循环的稳定性能图。图5为丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料及其制备方法中的材料在不同电流密度下循环的倍率性能图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1～5，本专利技术实施例中，丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料的制备方法，通过以下三个实施案例进行数据供参考：一、实施例1所述通过红磷与丝瓜络为原料，将丝瓜络剪切研磨以后与红磷按照一定比例研磨混合均匀，在惰性气氛下红磷与丝瓜络进行高温渗磷制备丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子电池负极材料，具体包括以下步骤：(1)剪切丝瓜络，依次用丙酮、去离子水与酒精清洗去除杂质，得到纯净的丝瓜络，纯净的丝瓜络干燥后充分研磨称重，得到丝瓜络生物质前驱体；(2)称取0.4g红磷，以1:1质量比混合丝瓜络生物质前驱体得到丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物，并将丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物进一步充分研磨；(3)将上述得到的丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物置于管式炉中，并通入氩气半个小时后以5℃/min的升温速率，丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物在600℃高温渗磷，且渗磷时间为15min，(4)管式炉降温至280℃，且管式炉炉内温度保温10小时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料，包括红磷和丝瓜络生物质碳前驱体，其特征在于，所述丝瓜络生物质碳前驱体与红磷混合质量比为1:1~1:3，得到丝瓜络生物质碳负载红磷复合材料、通过导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按一定质量比研磨混合均匀，然后加入N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂并搅拌混合均匀，得到电池浆料；所述将电池浆料分别滴涂在泡沫镍上；泡沫镍上的电池浆料及所得到丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料。/n

【技术特征摘要】
1.丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料，包括红磷和丝瓜络生物质碳前驱体，其特征在于，所述丝瓜络生物质碳前驱体与红磷混合质量比为1:1~1:3，得到丝瓜络生物质碳负载红磷复合材料、通过导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按一定质量比研磨混合均匀，然后加入N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂并搅拌混合均匀，得到电池浆料；所述将电池浆料分别滴涂在泡沫镍上；泡沫镍上的电池浆料及所得到丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料。


2.丝瓜络生物质碳负载红磷锂离子负极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
剪切丝瓜络，通过用丙酮、去离子水与酒精清洗预处理去除杂质，得到纯净的丝瓜络，将纯净的丝瓜络干燥后充分研磨并称重，得到丝瓜络生物质前驱体；
(2)称取所需的红磷，按照一定质量比混合丝瓜络生物质前驱体得到丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物，且将丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物进一步研磨；
(3)将丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物置于管式炉并气体保护，将丝瓜络生物质前驱体与红磷混合物进行高温渗磷；
(4)管式炉降温至一定温度并保温一段时间；
(5)管式炉自然冷却至室温后取出，即得丝瓜络生物质碳负载红磷复合材料；
(6)将丝瓜络生物质碳负载红磷复合材料、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢东，傅豪，邝嘉杰，张敏，柳鹏，王寿山，程发良，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44