高聚物热解碳为负极的锂离子电池制造技术

本发明专利技术涉及一种锂离子电池。负极是以高聚物热解碳为主要成分的混合体，所用的高聚物热解碳，是以简单、安全和低成本的方法制得的。嵌锂过渡金属氧化物为正极。锂盐的混合有机溶剂溶液为电解液。用高分子聚合物微孔薄膜为隔膜。电池的容量介于３５０－４５４ｍＡｈ／ｇ之间。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种锂离子电池，其负极是以高聚物热解碳为主要成分的混合体，所用的高聚物热解碳，是以聚苯为原料，以简单、安全和低成本的方法制得。该电池的容量(以负极活性物质的量计，以下同)介于350-454mAh/g之间。锂离子电池在近些年来受到相关研究人员和产业界人士的特别关注，但其关键是正负极材料的制备及其优良性能，即力求获得比容量高，结构稳定的正负极。石油焦炭和石墨经过特殊处理曾用作锂离子电池的负极材料，但二者的比容量均不太高，前者为180mAh/g左右，后者最高为350mAh/g。随后，经过进一步的发展，采用高聚物热解得到的碳质材料作负极活性材料，得到了较好的效果。据Science1994(264)556报导，在氢气气氛中，于700℃热解聚苯，以如此得到的热解碳作负极，比容量可达到680mAh/g。但用氢气作处理气氛，成本高，危险性大，而且，据J.Electrochem.Soc.1944(11)L143报导，上述方法制得的热解碳的比容量与热处理温度密切相关，同时，在以后的充放电过程中，容量逐渐损失。因此，使用以上的聚苯热解碳材料作为电池的负极，尚未制得符合实际应用的锂离子电池产品。本专利技术的目的是，针对以上所述的缺陷，提供一种适用的锂离子电池，其负极是以聚苯热解碳为主要组分，配以导电剂、稳定剂和黏接剂等构成。其中的聚苯热解碳是以简单、安全和低成本的新方法制得。本专利技术的锂离子电池包括1． 负极其组成包括聚苯热解碳、导电剂、稳定剂和黏接剂，它们的重量比依次为99.4-35％∶0.5-16％∶0-40％∶0.1-10％。其中的聚苯热解碳由下述方法制得将氢与碳的原子比为0.2-0.8的聚苯在流速为每分钟0.01-10升的氮气流中热解，升温速度为每分钟2-40℃，保持600-1100℃热处理0.5-48小时，然后降温，以每分钟1-35℃的速率降至15-25℃。如此制得的热解碳为无序碳与其重量0,001-2％的石墨微晶之混合体。其中的导电剂，选自石墨或炭黑，或者它们的混合物，其混合重量比依次为(1-2)∶(2-3)。其中的稳定剂，选自包括氯化铵、碳酸铵或碳酸氢铵，或者它们的混合物，它们中的任两种依次混合时，其重量混合比为(0.5-1)∶(1-2))；三种混合时，其重量混合比依次为(0.5-1)∶(1-2))∶(2-5)。其中的黏接剂，选自聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。2． 正极由嵌锂的过渡金属氧化物构成，选自包括嵌锂氧化钴、嵌锂氧化镍或嵌锂氧化锰等嵌锂的过渡金属氧化物。3． 电解液为锂盐的有机混合溶剂溶液，浓度为一摩尔，锂盐选自包括；高氯酸锂、四氟硼酸锂或六氟磷酸锂。其中的有机溶剂选自碳酸乙酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚它们中的任何两种的组合，其体积混合比为一比一。4． 隔膜为高分子聚合物微孔薄膜，包括聚丙烯微孔薄膜等。如上构成的锂离子电池充电后，锂离子嵌入负极，形成工作电池，连续充放电测定其容量，以负极活性物的重量计，不同电池的可逆比容量介于350-454mAh/g之间。该电池能与多种电解液配合，有良好的循环性能。本专利技术的锂离子电池的制备方法，其包括(1)．负极的制备A．制备聚苯热解碳，将氢与碳的原子比为0.2-0.8的聚苯在流速为每分钟0.01-10升的氮气流中热解，升温速度为每分钟2-40℃，保持600-1100℃热处理0.5-48小时，然后降温，以每分钟1-35℃的速率降至15-25℃，即可得到所需的前述热解碳。B．于一定量的以上制得的热解碳中加入其重量0-20％前述的稳定剂，再分别加入其重量0.5-20％前述的导电剂和0.1-15％前述的黏接剂，研磨均匀后，用已知的方法制成碳负极。(2)．选择前述的嵌锂的过渡金属氧化物作正极。(3)．配制电解质混合有机溶剂溶液，浓度为1摩尔，电解质选用前述的锂盐；有机溶剂选自前述溶剂的任何两种的组合，它们的混合体积比为一比一。(4)．选用高分子聚合物多孔薄膜作隔膜。将上列各材料根据其功能要求组装成大小不同的各种模型电池，即为本专利技术的的锂离子电池。本专利技术的优点是(1)．用成本低廉、安全的方法制得聚苯热解碳，且其性能稳定可靠。(2)．负极由聚苯热解碳与导电剂、稳定剂和黏接剂混合制成碳负极，使其有高度的可逆性。(3)．可逆比容量介于350-454mAh/g之间。该电池能与多种电解液配合，有良好的循环性能。本专利技术的锂离子电池的用途该类电池的用途极为广泛，包括用于移动电话、笔记本电脑、摄放像机、电动汽车等，同时因其可制成大小不同的各种形状，适于在各种用电领域使用。为了更清楚地说明本专利技术，列举以下实施例，但其对本专利技术无任何限制。实施例1．将10克氢碳比为0.62的聚苯，在每分钟1-6升的氮气气氛下，以每分钟20℃的速率升至700-800℃，保持该温度0.5-1.5小时后，将温度按每分钟1-3℃的速率降到15-20℃。所得热解碳按下述方法制备电池负极。称取10克热解碳，于其中加入2克炭黑或石墨，1克聚四氟乙烯，研磨均匀后，按已知方法制成电极。以嵌锂氧化钴为正极。将1摩尔的高氯酸锂溶解在1升碳酸乙酯和碳酸二乙酯(体积比1∶1)混合溶剂中，制成电解液。以聚丙烯微孔薄膜为隔膜，组装成模型电池。按25毫安/(克碳)的速率充电至4.1伏，放电至2.0伏，测得可逆比容量为380mAh/g。实施例2．按照实施例1的方法制备热解碳材料和电极，用碳酸丙烯酯和乙醇二甲醚混合溶剂(体积比1∶1)制成1摩尔的高氯酸锂电解液。按实例1的方法测定可逆比容量为350mAh/g。实施例3．按照实施例1的方法制备热解碳材料，按下述方法制备碳电极称取10克热解碳，于其中加入混合比为1∶1的2克炭黑和石墨的混合物，1克聚四氟乙烯，以及5克碳酸氢铵，研磨均匀后，按已知方法制成电极。按实施例1的方法组装成电池后，测定其可逆比容量，为454mAh/g,20次充放电循环后，容量为402mAh/g。实施例4。按照实施例1和3的方法分别制备热解碳材料和电极，以嵌锂氧化锰为正极，按照实施例1的方法组装成模型电池。按25毫安/克碳的速率充电至4.3伏，放电至3.5伏，测得可逆比容量为395mAh/g。实施例5．按照实施例1的方法制备热解碳材料，按下述方法制备碳电极称取10克热解碳，于其中加入2克炭黑，1克聚偏氟乙烯，以及4克碳酸氢铵和氯化铵的混合物，其混合比为3∶1，研磨均匀后，按已知方法制成电极，再按实施例1的方法组装成模型电池，测定其可逆比容量为412mAh/g。实施例6．按照实施例5的方法制备碳碳电极，以嵌锂氧化镍为正极，以碳酸乙酯和碳酸二甲酯混合溶剂(体积比1∶1)与六氟磷酸锂制成1摩尔的电解液，再按实施例1的方法组装成模型电池，测其可逆比容量为450mAh/g,20次充放电，循环后容量为410mAh/g。权利要求1．一种锂离子电池，其特征在于，所述的电池包括(1)． 负极其组成包括聚苯热解碳、导电剂、稳定剂和黏接剂，它们的重量比依次为99.4-35％∶0.5-16％∶0-40％∶0.1-10％；其中的聚苯热解碳由下述方法制得将氢与碳的原子比为0.2-0.8的聚苯流速为每分钟0.01-10升的氮气流中热解，升温速度为每分钟2-40℃，保持600-1100℃热处理0.5-48小时，然后降温，以每分钟1-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池，其特征在于，所述的电池包括： （１）．负极：其组成包括：聚苯热解碳、导电剂、稳定剂和黏接剂，它们的重量比依次为：９９．４－３５％∶０．５－１６％∶０－４０％∶０．１－１０％； 其中的聚苯热解碳由下述方法制得：将氢与碳的原子比为０．２－０．８的聚苯在流速为每分钟０．０１－１０升的氮气流中热解，升温速度为每分钟２－４０℃，保持６００－１１００℃热处理０．５－４８小时，然后降温，以每分钟１－３５℃的速率降至１５－２５℃，如此制得的热解碳为无序碳与其重量０．００１－２％的石墨微晶之混合体； 其中的导电剂，选自石墨或炭黑，或者它们的混合物，其混合重量比依次为（１－２）∶（２－３）； 其中的稳定剂，选自包括：氯化铵、碳酸铵或碳酸氢铵，或者它们的混合物，它们中的任两种依次混合时，其重量混合比为（０．５－１）∶（１－２））；三种混合时，其重量混合比依次为（０．５－１）∶（１－２））∶（２－５）； 其中的黏结剂，选自聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯； （２）．正极：由嵌锂的过渡金属氧化物构成，选自包括：嵌锂氧化钴、嵌锂氧化镍或嵌锂氧化锰嵌锂的过渡金属氧化物； （３）．电解液：为锂盐的有机混合溶剂溶液，浓度为一摩尔，锂盐选自包括：氯酸锂，四氟硼酸锂或六氟磷酸锂； 有机溶剂选自：碳酸乙酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚它们中的任何两种的组合，体积混合比为一比一； （４）．隔膜：为高分子聚合物微孔薄膜，包括：聚丙烯微孔薄膜； 该类电池连续充放电测定其容量，可逆比容量介于３５０－４５４ｍＡｈ／ｇ之间。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：慈云祥，周恒辉，陈继涛，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]