当前位置: 首页 > 专利查询>中南大学专利>正文

三维多孔金属锂阳极活性材料、其制备方法以及阳极技术

技术编号:26423562 阅读:12 留言:0更新日期:2020-11-20 14:20
本发明专利技术公开了一种三维多孔金属锂阳极活性材料、其制备方法以及阳极,其中,所述阳极活性材料为硼氮共掺杂的多孔碳球材料,所述方法包括将碳源、氮源、硼源和模板加入至溶剂中,配制成前驱体溶液;将前驱体溶液搅拌反应一定时间后,依次经过清洗、过滤和干燥得到固体物料;将固体物料退火炭化后,依次经过清洗、过滤和干燥得到硼氮共掺杂的多孔碳球材料。本发明专利技术提供的金属锂阳极活性材料可有效降低表观电流密度、缓解体积效应以及抑制界面反应,解决现有金属锂阳极存在的枝晶、低库伦效率、循环性差等问题;显著提升材料的首圈比容量和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
三维多孔金属锂阳极活性材料、其制备方法以及阳极
本专利技术涉及锂金属电池
,具体涉及一种三维多孔金属锂阳极活性材料、其制备方法以及阳极。
技术介绍
锂金属阳极具有高达3860mA/cm2的理论比容量和-3.045V(相对于标准氢电极)的电极电势,被誉为“圣杯”级阳极材料,但是,锂阳极在反复循环过程中出现的枝晶、高体积效应等问题,导致其库伦效率低,循环性能差;而且锂枝晶的生长可能会刺穿隔膜导致短路,引起严重的安全问题。从锂阳极的产业化角度看,解决阳极体积效应的方法是使用超薄锂阳极或三维集流体,超薄锂阳极指20μm以下的锂箔或锂带,理论上只有4mAh/cm2的金属锂,要想能量密度做到500Wh/kg或以上,这个载锂量相对较少。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维多孔金属锂阳极活性材料、其制备方法以及阳极,旨在解决现有锂金属阳极在反复循环过程中出现的枝晶、高体积效应的问题。为实现上述目的,本专利技术提出的一种三维多孔金属锂阳极活性材料为硼氮共掺杂的多孔碳球材料。优选地,所述硼氮共掺杂的多孔碳球材料的比表面积为50-1000m2/g,球壁厚度为0.5-100nm,碳球的内部腔室的体积占比为40-99%。优选地,所述硼氮共掺杂的多孔碳球材料中的硼含量为0.01-10at.%,氮含量为0.01-10at.%。为实现上述目的,本专利技术提出的一种如上述任一项所述三维多孔金属锂阳极活性材料的制备方法,包括如下步骤:(1)将碳源、氮源、硼源和模板加入至溶剂中,配制成前驱体溶液;(2)将前驱体溶液搅拌反应一定时间后,依次经过清洗、过滤和干燥得到固体物料;(3)将固体物料退火炭化后,依次经过清洗、过滤和干燥得到硼氮共掺杂的多孔碳球材料。优选地,所述碳源为葡萄糖、淀粉、木薯粉、蔗糖、盐酸多巴胺、酚醛树脂、间苯二酚、甲醛中的一种或几种,所述氮源为氨水、尿素、乙二胺、酞菁、四苯基卟啉、乙腈、吡咯、胺腈、三聚氰胺、聚多巴胺、聚丙烯腈、聚乙烯亚胺、聚吡咯、聚苯胺中的一种或几种,所述硼源为硼酸、硼烷、乙硼烷、三溴化硼、三氯化硼、三氧化二硼苯硼酸中的一种或几种,所述模板为硅球、聚丙烯球、聚苯乙烯球、聚吡咯球中的一种或几种,模板尺寸为50-5000nm。优选地,所述前驱体溶液中,碳源/(氮源+硼源)的摩尔比为2-20,氮源/硼源的摩尔比为0.2-5。优选地,所述溶剂为去离子水、乙醇或两者的混合物。优选地,所述前驱体溶液的搅拌反应时间为2-50h,反应温度为0-80℃。优选地,所述步骤(3)中的将固体物料退火炭化的步骤为:将固体物料置于管式炉中进行炭化,炭化温度为500-1200℃,炭化时间为0.5-10h,升温速率为0.5-10℃/min,降温速率为0.5-10℃/min。为实现上述目的,本专利技术提出的一种金属锂阳极包括平面金属集流体和复合在其表面的活性层,所述活性层包括粘结剂、如上述任一项或者如上述任一项所述方法制备的三维多孔金属锂阳极活性材料,以及沉积于所述活性材料中空腔体中的金属锂,且金属锂量为0.4-200mAh/cm2。本专利技术采用的技术原理如下:硼氮共掺杂的多孔碳球材料改变了碳球材料原本的电中性,无论是富电子的氮掺杂或是缺电子的硼掺杂,都可以产生吸附锂离子的活性位点,可以有效的降低金属锂成核和沉积过程中的形核过电位,实现金属锂在活性材料集流体中的稳定均匀的生长。此外,稳定且具有巨大内部空腔的三维多孔碳材料可以极大的缓解锂阳极循环过程产生的具有体积效应,大幅提高锂金属电池的循环寿命和安全性能。与现有技术相比较,本专利技术可达到的有益效果如下:本专利技术提供的金属锂阳极活性材料可有效降低表观电流密度、缓解体积效应以及抑制界面反应,解决现有金属锂阳极存在的枝晶、低库伦效率、循环性差等问题;显著提升材料的首圈比容量和循环稳定性。附图说明图1为实施例1制得的硼氮共掺杂的多孔碳球材料的SEM图;图2为实施例1制得的硼氮共掺杂的多孔碳球材料的TEM图;图3为实施例1制备的硼氮共掺杂的多孔碳球材料的碳元素EDS面扫描图;图4为实施例1制备的硼氮共掺杂的多孔碳球材料的硼元素EDS面扫描图;图5为实施例1制备的硼氮共掺杂的多孔碳球材料的氮元素EDS面扫描图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步的说明,但不限于此。半电池案例:实施例1将2.5g盐酸多巴胺、0.25g三聚氰胺、0.25g硼酸、0.3g硅模板(直径400nm)加入至400mL去离子水中,调节pH值为9,搅拌24小时后,清洗、过滤、干燥得到固体物料,置于管式炉中进行退火,升温速率5℃/min,炭化温度为900℃,时间为3h,降温速率为5℃/min,得到的黑色物料洗去模板,清洗过滤干燥得到硼氮共掺杂多孔碳球材料(比表面积为69m2/g,碳壁厚度为20nm,内部腔体体积占总体积的85%),如图1所示为该材料的SEM图,图2为该材料的TEM图。其中硼含量为2.1at.%,氮元素含量为4.6at.%,图3、图4、图5为制备得到材料的EDS面扫描图像。随后取0.24g硼氮共掺杂多孔碳球材料、0.06g聚偏氟乙烯混合,随后涂覆在铜箔上,涂覆厚度为60μm,以该电极为工作电极,以金属锂片为对电极,以1MLiTFSI/DOL:DME(体积比1:1)含1wt.%LiNO3为电解液进行扣式电池组装,在3mA/cm2的电流密度下,进行充放电循环测试。测试的结果如表1所示。对比例1以纯铜箔为工作电极,以金属锂片为对电极,以1MLiTFSI/DOL:DME(体积比1:1)含1wt.%LiNO3为电解液组装扣式电池,在3mA/cm2的电流密度下进行充放电循环测试。测试的相关结果如表1所示。对比例2以纯铜箔为工作电极,以金属锂片为对电极,以1MLiTFSI/DOL:DME(体积比1:1)含1wt.%LiNO3为电解液进行软包电池组装,在3mA/cm2的电流密度下进行充放电循环测试。测试的相关结果如表1所示。对比例3将导电炭与聚偏氟乙烯按照质量比8:2进行混合,随后涂覆在铜箔上(厚度为10μm),涂覆厚度为60μm。将该电极作为工作电极,以金属锂片为对电极,以1MLiTFSI/DOL:DME(体积比1:1)含1wt.%LiNO3为电解液进行扣式电池组装,在3mA/cm2的电流密度下,进行充放电循环测试。测试的结果如表1所示。对比例4将2.75g盐酸多巴胺、0.25g三聚氰胺、0.3g硅模板(模板尺寸400nm)加入至400mL去离子水中,调节pH值为9,搅拌24小时后,清洗、过滤、干燥得到固体物料,置于管式炉中进行退火,升温速率5℃/min,炭化温度为900℃,时间为3h,降温速率为5℃/min,得到的黑色物料洗去模板,清洗过滤干燥得到氮掺杂多孔碳球材料(比表面积为78m2/g,碳壁厚度为25nm,内部腔体体积占总体积的85%,氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维多孔金属锂阳极活性材料,其特征在于,所述阳极活性材料为硼氮共掺杂的多孔碳球材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔金属锂阳极活性材料,其特征在于,所述阳极活性材料为硼氮共掺杂的多孔碳球材料。


2.如权利要求1所述的三维多孔金属锂阳极活性材料,其特征在于,所述硼氮共掺杂的多孔碳球材料的比表面积为50-1000m2/g,球壁厚度为0.5-100nm,碳球的内部腔室的体积占比为40-99%。


3.如权利要求1所述的三维多孔金属锂阳极活性材料,其特征在于,所述硼氮共掺杂的多孔碳球材料中的硼含量为0.01-10at.%,氮含量为0.01-10at.%。


4.一种如权利要求1-3任一项所述三维多孔金属锂阳极活性材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将碳源、氮源、硼源和模板加入至溶剂中,配制成前驱体溶液;
(2)将前驱体溶液搅拌反应一定时间后,依次经过清洗、过滤和干燥得到固体物料;
(3)将固体物料退火炭化后,依次经过清洗、过滤和干燥得到硼氮共掺杂的多孔碳球材料。


5.如权利要求4所述的三维多孔金属锂阳极活性材料的制备方法,其特征在于,所述碳源为葡萄糖、淀粉、木薯粉、蔗糖、盐酸多巴胺、酚醛树脂、间苯二酚、甲醛中的一种或几种,所述氮源为氨水、尿素、乙二胺、酞菁、四苯基卟啉、乙腈、吡咯、胺腈、三聚氰胺、聚多巴胺、聚丙烯腈、聚乙烯亚胺、聚吡咯、聚苯胺中的一种或几种,所述硼源为硼酸、硼烷、乙硼烷、三溴化...

【专利技术属性】
技术研发人员:洪波赖延清高春晖董庆元张凯张治安
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1