一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法技术

本发明专利技术涉及锂离子二次电池技术领域，具体地说是一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法，属于新能源材料领域。步骤如下：(1)以煤为原料和葡萄糖为原料，将其进行低温热处理，(2)将步骤(1)制得的碳材料与羟丙基纤维素、钛酸四丁酯、去离子水、按一定质量比均匀分散到装有乙醇的三口烧瓶中，在90℃的环境下进行反应，结束后离心收集样品，并进行下一步热处理得到可用于锂离子电池的负极材料。本发明专利技术在碳材料表面包覆一层TiO2，一方面提高电子向电解液LUMO轨道的转移势垒，另一方面阻止电子通过隧穿进入电解液LUMO轨道，避免有机电解液发生分解造成锂离子的不可逆损失，从而提高首次库伦效率。次库伦效率。次库伦效率。

【技术实现步骤摘要】
一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种提高锂离子电池碳基材料首次库伦效率的改性方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池以其工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、等众多优点而被广泛应用于便携式设备和电动汽车等领域。碳材料是锂离子电池中应用最广的负极材料，然而，碳材料在首次充放电过程中与有机电解液接触形成固体电解质中间膜(SEI 膜)，在形成SEI膜过程中会消耗大量锂离子，造成容量的不可逆损失。因此，减少首次充放电过程中的锂离子损失是锂离子电池领域需要解决的重要问题。
[0003]本专利技术针对碳负极首次库伦效率低的问题，提出一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法。该方法用钛酸四丁酯为前驱体，以人工合成碳纳米球和煤基材料为碳源，制备了锐钛矿二氧化钛包覆的碳负极。该方法的基本原理为在碳材料表面包覆一层二氧化钛，一方面提高电子向电解液LUMO轨道的转移势垒，另一方面阻止电子通过隧穿进入电解液LUMO轨道，避免有机电解液发生分解造成锂离子的不可逆损失，从而提高首次库伦效率。

技术实现思路

[0004](1)本专利技术的原理：
[0005]在嵌锂过程中，负极的电化学电位高于电解液的LUMO轨道，电子会自动进入LUMO 轨道使电解液分解，分解后的电解液在负极表面形成一层一定厚度的固态电解质膜(SEI)，此时，由于电子既无法越过SEI的势垒，也无法隧穿SEI到达LUMO轨道，从而达到稳定状态，如图1(a)。
[0006]此专利技术的核心思想是利用具有Li
+
存储能力的半导体材料，先期形成一定厚度的包覆层，包覆层一方面可以阻止电子隧穿到达LUMO轨道，另一方面，由于其具有一定的势垒，可增加电子直接进入LUMO的阻力，在嵌锂过程中，只要形成非常薄一层SEI阻止电子越过势垒进入LUMO即可达到稳定态，如图1(b)。
[0007](2)技术方案
[0008]实现上述目的，本专利技术提供一种提高碳基负极材料首次库伦效率的方法，所述的原料包括：烟煤和人工合成碳微球，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0009](1)碳材料的制备：以烟煤和葡萄糖为碳源，经过简单热处理，得到可用于锂离子电池的碳材料。
[0010](2)C@TiO2的制备：将羟丙基纤维素、钛酸四丁酯、去离子水、碳材料按质量比为5:5:20:1的比例均匀分散到乙醇溶液中，将以上配好的溶液加入到三口烧瓶中，并在水浴锅中90℃水浴3h，结束后离心收集样品并置于烘箱中烘干。将干燥后的粉末在在氩气保护下，600℃热处理1h，得到TiO2包覆的碳材料。
[0011](3)有益的技术效果
[0012]同现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0013](1)本专利技术提供的制备方法与常规方法比较，成本相对较低，制备工艺简单，不采用常规化学提纯等工序，减少了化学提纯对环境的污染。
[0014](2)本专利技术制得的复合负极材料相比于碳负极，电化学性能好，首次库伦效率提高在10％以上。
附图说明
[0015]下面结合附图对本专利技术作进一步详细的描述。
[0016]图1(a
‑
b)为本专利技术的原理图；
[0017]图2(a
‑
b)为实施例1制备的CC和CC@TiO2的扫描电镜全貌图；
[0018]图2(c
‑
g)为实施例1制备的CC的扫描电镜局部放大图和EDS谱图；
[0019]图2(h
‑
l)为实施例1制备的CC@TiO2的扫描电镜局部放大图和EDS谱图；
[0020]图3为实施例2制备的CG和CG@TiO2的扫描电镜图；
[0021]图4(a
‑
b)为实施例2制备的CG@TiO2的透射电镜图和EDS谱图；
[0022]图5(a
‑
b)是本专利技术实施例1制备的CC和CC@TiO2和实施例2制备的CG和CG@TiO2的拉曼光谱；
[0023]图6(a
‑
d)是本专利技术实施例1制备的CC在0.01
‑
2V和CC@TiO2在0.01
‑
2.5V下的伏安特性曲线和实施例2制备的CG和CG@TiO2在0.01
‑
3V下的伏安特性曲线；
[0024]图7(a
‑
b)是本专利技术实施例1制备的C和C@TiO2在37.2mAg
‑1电流密度下的循环性能图和实施例2制备的C和C@TiO2在37.2mAg
‑1电流密度下的循环性能图。
具体实施方式
[0025]实验试剂：羟丙基纤维素，钛酸四丁酯，煤粉，葡萄糖，去离子水，无水乙醇(99.9wt％)。
[0026]仪器：扫描电子显微镜(MIRA3 TESCAN)，拉曼光谱仪(HORIBA Jobin Yvon LabRAMHR800)，蓝电电池测试系统(CT2001 A，武汉市金诺电子有限公司)，手套箱(米开罗那；填充气氛为氩气；水氧值<0.1PPM)。
[0027]实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市场购买获得的常规试剂产品。
[0028]实施例1
[0029]一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法，具体步骤如下：
[0030](1)CC(carbon derived from coal)制备：向高能行星球磨机中加入50份煤灰粉，设置球磨机公转转速为260rpm，自转转速为640rpm，球磨12h，直至煤粉通过500目网筛，将得到的煤粉在Ar2气体保护下，以5℃/min的升温速率，升温至700℃保温1h，进行高温裂解，得到碳材料。
[0031](2)CC@TiO2的制备：将羟丙基纤维素、钛酸四丁酯、去离子水、无定形碳按质量比为5:5:20:1的比例均匀分散到乙醇溶液中，将以上配好的溶液加入到三口烧瓶中并在水浴锅中90℃水浴三小时，结束后离心收集样品并置于烘箱中烘干。将干燥后的粉末在管式炉中通氩气(60sccm)600℃热处理1h，得到CC@TiO2。
[0032]实施例2
[0033]一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法，具体步骤如下：
[0034](1)CG(carbon derived from glucose)的制备：取3.762g葡萄糖溶于35ml去离子水中，将以上配好的溶液搅拌1h后置于水热釜中。在175℃保温12h，结束后离心收集样品并置于烘箱中烘干。
[0035](2)CG@TiO2的制备：将羟丙基纤维素、钛酸四丁酯、去离子水、碳微球按质量比为5:5:20:1的比例均匀分散到乙醇溶液中，将以上配好的溶液加入到三口烧瓶中并在水浴锅中90℃水浴三小时，结束后离心收集样品并置于烘箱中烘干。将干燥后的粉末在管式炉中通氩气(60sccm)600℃热处理1h，得到CG@TiO2。
[0036]实施例3
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高碳基负极材料首次库伦效率的改性方法，其特征在于，步骤如下：(1)碳材料的制备：以煤为原料和葡萄糖为原料，将其进行低温热处理，得到可用于锂离子电池的碳材料；(2)C@TiO2的制备：将羟丙基纤维素、钛酸四丁酯、去离子水、碳材料按质量比为4.5
‑
5.5:4.5
‑
5.5:19
‑
21:1的比例均匀分散到乙醇溶液中，将以上配好的溶液加入到三口烧瓶中，并在水浴锅中90...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，毕翔宇，张稚雅，唐天宇，葛旭辉，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：