一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池用的板砖型Al‑MOF负极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术方法，包括如下步骤：通过水热法制备板砖型Al‑MOF材料；利用板砖型Al‑MOF材料制备锂离子电池用板砖型Al‑MOF负极材料。本发明专利技术实现了硅铝合金去合金化处理后副产物金属铝离子的再生利用，成本低廉，工艺及其所用设备简单，易于规模化工业生产，具有很好的市场价值。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着化石能源的日益枯竭和环境污染问题的日趋严重，开发可再生绿色无污染的新能源技术迫在眉睫，其中锂离子电池作为目前应用最为广泛的二次绿色电池，其能量密度和循环稳定性的继续提高显得意义更加重大，而负极材料是锂离子电池突破发展的关键一环。目前商业化使用的负极材料主流市场仍是石墨，但是由于其储锂能力有限，且技术开发处于瓶颈阶段，所以近些年来很多研究者把目光聚焦于拥有高理论储锂容量的硅负极材料(～4200mAh/g)，但是硅材料在充放电过程中体积膨胀较大，结构稳定性差，导电性较差，容易造成电极材料的粉碎和容量的严重衰减。为了克服这些缺点，国内外学者提出了很多解决方案，目前普遍认为硅碳复合材料、尺寸纳米化和结构多孔化是未来发展硅基负极材料的有效手段，其中越来越多的研究者通过去合金化方法得到多孔硅结构。为了满足超过300％的硅体积膨胀问题，一般选择的硅基合金原材料的合金质量比例是大于60％以上的，但是去合金化后的大量金属离子副产物的回收或者再生利用问题却鲜有人关注解决，其造成了极大的材料经济损失和环境污染问题，不利于可持续绿色发展。金属有机骨架材料(MOFs)，又称为金属配位聚合物，是指无机金属或者金属簇与有机配体通过配位键链接而成的晶体材料，其具有高孔隙率、高比表面积、孔径可调的多维网络孔洞结构。相比于常规的多孔材料，金属有机骨架材料具有以下三大优点：调控金属离子和有机配体长度可以有效控制材料的形貌、比表面积及孔径等织构性能；内部三维孔道体系发达，无死体积；骨架表面的金属离子含量高，可利用率高。近年来，金属有机骨架衍生材料被广泛应用在吸附，能源材料，催化材料，环境大气治理等多个领域。目前，常用的制备方法包括水热法、溶剂热、微波法、电化学法等。综上，本专利技术针对硅铝合金去合金化处理后金属铝离子的再生利用问题，提供了一种水热法制备，适合工业化推广的板砖型Al-MOF结构材料，并将其首次用于锂离子电池负极材料中，表现出优越的循环性能。
技术实现思路
根据上述提出的去合金化后的大量金属离子副产物的回收或者再生利用问题鲜有人关注解决，造成了极大的材料经济损失和环境污染问题，不利于可持续绿色发展的技术问题，而提供一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料及其制备方法和应用。本专利技术主要利用水热法成功制备出颗粒大小均匀的纳-微米级“板砖”型金属有机骨架Al-MOF材料，并将其首次成功用于锂离子电池负极材料中，表现出优越的循环稳定性。本专利技术采用的技术手段如下：一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料的制备方法，包括如下步骤：S1、板砖型Al-MOF材料的制备；S11、提供经氮气高压高速雾化技术制备的铝硅合金粉为原材料，所述铝硅合金粉的粒径尺寸大小为0.1-100μm；S12、将一定量的所述铝硅合金粉与无机酸溶液混合，温和磁力搅拌，进行去合金化反应，反应时间为1-48h，反应温度为25-100℃；S13、反应完成后，通过抽滤装置进行固液分离，得到的多孔硅固体颗粒用去离子水和无水乙醇溶液清洗3-6次，得到的滤瓶中的铝盐溶液单独收集备用；S14、将所述铝盐溶液和有机酸溶液加入一定体积的去离子水中，混合溶解；S15、向步骤S14的混合溶液中加入一定质量的高分子表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，磁力搅拌0.2-3h，直至混合均匀；S16、将步骤S15中搅拌均匀的混合溶液放入反应釜中，进行水热反应，通过水热法获得板砖型Al-MOF材料；S2、板砖型Al-MOF负极材料的制备；S21、将步骤S16中得到的板砖型Al-MOF材料与导电剂、粘结剂按照质量比6-8:1-2:1-2混合研磨，并倒入溶剂中研磨0.3-2h，得到均匀电极浆料；S22、将所述电极浆料涂覆在金属铜箔上，涂层的厚度为60-200μm，在60-120℃下置于真空干燥箱中烘6-24h，得到锂离子电池用板砖型Al-MOF负极材料，即锂离子电池负极电极片。进一步地，步骤S12中，所述无机酸溶液为HCl溶液、HNO3溶液或H2SO4溶液中的一种，或一种以上的组合形式。进一步地，步骤S12中，所述无机酸溶液作为腐蚀溶液，其质量浓度在1-40％。进一步地，步骤S14中，所述有机酸溶液为对苯二甲酸溶液、均苯三甲酸溶液或1,4-萘二羧酸溶液中的一种，或一种以上的组合形式。进一步地，步骤S14中，铝盐和有机酸的摩尔比为3:1～1:3。进一步地，步骤S15中，有机酸和高分子表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比例为10:1～1:10。进一步地，所述步骤S16的具体步骤如下：S161、将步骤S15中搅拌均匀的混合溶液放入反应釜中，进行水热反应，水热反应的温度为80-250℃，反应时间为5～100h；S162、水热反应后，混合溶液自然冷却后得到白色物质，之后，用去离子水和无水乙醇溶液将所述白色物质离心清洗2-6次，80℃下真空干燥得到板砖型Al-MOF材料。进一步地，步骤S21中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮或去离子水，所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯或海藻酸钠。本专利技术还提供了由所述的方法制备得到的板砖型Al-MOF负极材料。此外，本专利技术还提供了所述的板砖型Al-MOF负极材料作为锂离子电池负极材料的应用。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料及其制备方法和应用，成功制备出颗粒大小均匀的纳-微米级“板砖”型金属有机骨架Al-MOF材料，并将其首次成功用于锂离子电池负极材料中，表现出优越的循环稳定性。2、本专利技术提供的锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料及其制备方法和应用，实现了硅铝合金去合金化处理后副产物金属铝离子的再生利用，成本低廉，工艺及其所用设备简单，易于规模化工业生产，具有很好的市场价值。综上，应用本专利技术的技术方案能够解决现有技术中的去合金化后的大量金属离子副产物的回收或者再生利用问题鲜有人关注解决，造成了极大的材料经济损失和环境污染问题，不利于可持续绿色发展的问题。基于上述理由本专利技术可在锂离子电池等领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例1-4中板砖型Al-MOF的XRD图。图2为本专利技术实施例2中板砖型Al-MOF的SEM图。图3为本专利技术实施例2中板砖型Al-MOF的循环性能图。图4为本专利技术实施例2中板砖型Al-MOF的充放电曲线图。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、板砖型Al-MOF材料的制备；/nS11、提供经氮气高压高速雾化技术制备的铝硅合金粉为原材料，所述铝硅合金粉的粒径尺寸大小为0.1-100μm；/nS12、将一定量的所述铝硅合金粉与无机酸溶液混合，温和磁力搅拌，进行去合金化反应，反应时间为1-48h，反应温度为25-100℃；/nS13、反应完成后，通过抽滤装置进行固液分离，得到的多孔硅固体颗粒用去离子水和无水乙醇溶液清洗3-6次，得到的滤瓶中的铝盐溶液单独收集备用；/nS14、将所述铝盐溶液和有机酸溶液加入一定体积的去离子水中，混合溶解；/nS15、向步骤S14的混合溶液中加入一定质量的高分子表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌0.2-3h，直至混合均匀；/nS16、将步骤S15中搅拌均匀的混合溶液放入反应釜中，进行水热反应，通过水热法获得板砖型Al-MOF材料；/nS2、板砖型Al-MOF负极材料的制备；/nS21、将步骤S16中得到的板砖型Al-MOF材料与导电剂、粘结剂按照质量比6-8:1-2:1-2混合研磨，并倒入溶剂中研磨0.3-2h，得到均匀电极浆料；/nS22、将所述电极浆料涂覆在金属铜箔上，涂层的厚度为60-200μm，在60-120℃下置于真空干燥箱中烘6-24h，得到锂离子电池用板砖型Al-MOF负极材料，即锂离子电池负极电极片。/n...

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、板砖型Al-MOF材料的制备；
S11、提供经氮气高压高速雾化技术制备的铝硅合金粉为原材料，所述铝硅合金粉的粒径尺寸大小为0.1-100μm；
S12、将一定量的所述铝硅合金粉与无机酸溶液混合，温和磁力搅拌，进行去合金化反应，反应时间为1-48h，反应温度为25-100℃；
S13、反应完成后，通过抽滤装置进行固液分离，得到的多孔硅固体颗粒用去离子水和无水乙醇溶液清洗3-6次，得到的滤瓶中的铝盐溶液单独收集备用；
S14、将所述铝盐溶液和有机酸溶液加入一定体积的去离子水中，混合溶解；
S15、向步骤S14的混合溶液中加入一定质量的高分子表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌0.2-3h，直至混合均匀；
S16、将步骤S15中搅拌均匀的混合溶液放入反应釜中，进行水热反应，通过水热法获得板砖型Al-MOF材料；
S2、板砖型Al-MOF负极材料的制备；
S21、将步骤S16中得到的板砖型Al-MOF材料与导电剂、粘结剂按照质量比6-8:1-2:1-2混合研磨，并倒入溶剂中研磨0.3-2h，得到均匀电极浆料；
S22、将所述电极浆料涂覆在金属铜箔上，涂层的厚度为60-200μm，在60-120℃下置于真空干燥箱中烘6-24h，得到锂离子电池用板砖型Al-MOF负极材料，即锂离子电池负极电极片。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S12中，所述无机酸溶液为HCl溶液、HNO3溶液或H2SO4溶液中的一种，或一种以上的组合形式。


3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池用的板砖型Al-MOF负极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭毅，王凯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21