一种纳米金刚石电解液和纳米金刚石固体电解质界面的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米金刚石电解液和纳米金刚石固体电解质界面的制备方法。本方法具体是通过紫外UV处理纳米金刚石得到氧终端纳米金刚石颗粒，并均匀分散至商用LiPF6电解液制备纳米金刚石电解液。以石墨为负极，锂片为正极，使用纳米金刚石电解液在无水无氧的环境中制得锂离子电池，并在蓝电测试系统上进行充放电循环。在充放电循环过程中，纳米金刚石电解液中的纳米金刚石颗粒在电场力作用下与锂离子一起移动至石墨负极，最终在石墨阳极表面构建纳米金刚石界面。本发明专利技术可抑制锂枝晶和负极材料体积膨胀，而且具有较低的界面电阻，利于锂离子的固相扩散，展示出了比容量高、循环性能好、充放电库伦效率高等优良的性能。充放电库伦效率高等优良的性能。充放电库伦效率高等优良的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金刚石电解液和纳米金刚石固体电解质界面的制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池电解液的
，涉及一种纳米金刚石电解液和纳米金刚石固体电解质界面的制备方法。

技术介绍

[0002]手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车等便携式电子设备和交通工具的快速发展使得锂离子电池的重要性日益突出。提高能量密度、稳定性和安全性是下一代锂离子电池的发展趋向。电解质体系是决定石墨作为负极材料在可充电锂电池系统中电化学性能的关键因素之一，目前锂离子电池大多采用商业六氟磷酸锂(碳酸乙烯酯为溶剂)电解液，电池在充放电过程中，电解液与石墨负极表面发生副反应形成固体电解质界面，然后决定电池的初始性能和长期容量衰减特性。但是这种固体电解质界面比较脆弱，不能有效抑制负极材料的体积膨胀，甚至发生断裂，导致电解液中溶剂分子与锂离子的过度消耗，从而造成严重的容量损失。因此，开发新型的电解液以及形成更加坚固的固体电解质界面对有效提升锂离子电池的循环性能具有重要意义。
[0003]申请号为202110122067.2名称为“一种锂电池电解液添加剂、电解液和锂电池”专利申请，公开的制备方法是混合单体聚氨酯丙烯酸酯和丙烯酸，加入石蜡和硅藻土并混合均匀，再加入2,2
‑
二甲氧基
‑2‑
苯基苯乙酮和石墨粉，混合均匀后造粒，然后向所得产物中加入卤化锂
‑
硅藻土
‑
石墨混合物并在紫外光照射下固化，得到所述锂电池电解液添加剂。该锂电池电解液添加剂室温下最高循环容量保持率为98.2％，但制备工艺复杂、成本较高，并产生较大污染。
[0004]申请号为202011503470.1名称为“一种电解液添加剂、含该添加剂的电解液及锂离子电池”专利申请，该专利技术合成的二(三烷基硅基)氟磷酸酯结构中包含两个三烷基硅基、磷酸酯基团和氟元素，有效的提高了锂离子电池在高电压下的循环稳定性，但是该添加剂的结构非常复杂，且制备过程条件苛刻，不适合大规模工业化量产。
[0005]Cheng等在NATURE COMMERICATION，2017，8，336中报道了纳米金刚石颗粒有效抑制锂枝晶生长的工作，与本专利技术的不同之处在于该报道只强调了纳米金刚石颗粒的表面功能化处理可以提升其在电解液中的分散性，本专利技术所述纳米金刚石颗粒除了提升在电解液中的分散性之外，还可以有效去除SEI中的含氧成分，提升了锂离子在SEI中的固相传输速度，且该报道并未验证其纳米金刚石电解液在石墨基锂离子电池体系中的适用性；Liu等在Jolue，2018，2，1595中报道了一种锂金属电池中的双层纳米金刚石界面，有效的抑制了锂枝晶的产生并提升了锂离子传输通量，提升了电池的循环稳定性。
[0006]纳米金刚石作为一种重要的碳材料，具有许多独特的性质，例如高硬度、化学稳定性、大比表面积，表面可修饰性和相对较高的电导率，因此在锂离子电池的应用领域受到越来越多的关注。使用纳米金刚石可以增加哩的吸附、提高可逆容量及锂离子传输速率。同时金刚石纳米颗粒具有稳定、体积变化小的优点，将纳米金刚石引入固体电解质界面可以提
升机械强度，提升电池的循环稳定性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种纳米金刚石电解液和纳米金刚石固体电解质界面，有效增加了锂离子的吸附位点和传输速度，实现了锂离子电池容量的大幅度提升。
[0008]本专利技术所采用的技术方案具体如下：
[0009]一种纳米金刚石电解液的制备方法：
[0010]1)分别取用5ml的浓盐酸和浓硫酸溶液，配置成体积比为1:1混合酸溶液；所述浓盐酸为市售浓度为36wt％～38wt％的盐酸溶液；所述浓硫酸为浓度98wt％的硫酸溶液；
[0011]2)将0.2g纳米金刚石粉末加入上述混合酸溶液，在200℃条件下加热30～40min以去除金刚石颗粒表面的金属杂质；所述的纳米金刚石粉末，粒径尺寸为5～10nm；
[0012]3)将步骤2)处理后的纳米金刚石粉末，在紫外UV照射下处理15～20s，得到氧终端纳米金刚石颗粒；
[0013]4)将上述加入商用LiPF6(EC:DMC＝1:1)电解液中，并在氩气保护下超声处理10～15min，得到纳米金刚石浓度为0.2～0.8mg ml
‑1的纳米金刚石电解液。
[0014]纳米金刚石固体电解质界面的制备方法：
[0015]1)在无水无氧的环境中以金属锂为正极，电解液为纳米金刚石电解液和锂离子电池负电极组成电池；
[0016]2)使用蓝电测试系统，对电池进行充放电循环；纳米金刚石电解液中的纳米金刚石颗粒在电场力作用下与锂离子一起移动至负电极，形成纳米金刚石固体电解质界面。
[0017]所述的锂离子电池负电极的制备方法优选为：
[0018]1)将石墨负极与碳黑(助导电剂)混合，在聚偏二氟乙烯(PVDF，粘结剂)的作用下研磨，并添加一定量的1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(NMP，溶剂)以至用磁力搅拌器搅拌成粘稠流体；将粘稠流体涂于集流体，在120℃下干燥；集流体优选为铜箔。
[0019]2)最后切成电极形状压实，制得锂离子电池的石墨负电极。
[0020]其中，进一步优选为：石墨为石墨负电极的80wt％、聚偏氟乙烯为10wt％、碳黑为10wt％。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术利用紫外UV照射处理所得的氧终端纳米金刚石颗粒制备纳米金刚石电解液；本专利技术所制备的氧终端纳米金刚石可以有效减少SEI中的含氧有机成分，提升锂离子在SEI中的固相传输速度；依靠纳米金刚石对锂离子的吸附能力和电场力的协同作用构建纳米金刚石固体电解质界面；使用纳米金刚石电解液制备高性能锂离子电池，解决商业石墨负极比容量低、容量保持率低等问题；纳米金刚石固体电解质界面不仅硬度高，可抑制锂枝晶和负极材料体积膨胀，而且具有较低的界面电阻，更利于锂离子的固相扩散。本专利技术的纳米金刚石电解液和纳米金刚石固体电解质界面的制备方法具有过程简单，成本低廉，易于实现，容易放大等优点，有望未来大规模生产。
[0023]实验测量结果表明，纳米金刚石电解液用作锂离子电池电解液在首次充放电循环后的放电比容量达到620mAhg
‑
1，远高于石墨的理论循环容量372mAhg
‑
1。随着循环次数的增加，放电容量逐渐上升，经过100次循环后的充放电容量达到了702mAhg
‑
1，容量保持率为
113％，充放电库伦效率接近100％。
附图说明
[0024]图1为实施例1中制备的纳米金刚石电解液的透射电镜图
[0025]图2为实施例2中样品S1和S2的电化学性能对比图(5C)。
[0026]图3为实施例2中样品S1和S2的电化学性能对比图(0.2C)。
[0027]图4为实施例2中样品S1和S2的电化学性能对比图(变倍率)。
[0028]图5为实施例2中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米金刚石电解液的制备方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：1)分别取用5ml的浓盐酸和浓硫酸溶液，配置成体积比为1:1混合酸溶液；所述浓盐酸为市售浓度为36wt％～38wt％的盐酸溶液；所述浓硫酸为浓度98wt％的硫酸溶液；2)将0.2g纳米金刚石粉末加入上述混合酸溶液，在200℃条件下加热30～40min以去除金刚石颗粒表面的金属杂质；所述的纳米金刚石粉末，粒径尺寸为5～10nm；3)将步骤2)处理后的纳米金刚石粉末，在紫外UV照射下处理15～20s，得到氧终端纳米金刚石颗粒；4)将上述氧终端纳米金刚石颗粒加入商用LiPF6电解液中，并在氩气保护下超声处理10～15min，得到纳米金刚石浓度为0.2～0.8mg ml
‑1的纳米金刚石电解液。2.根据权利要求1所述的纳米金刚石电解液的制备方法，其特征在于，紫外UV照射下处理采用BZS250GF
‑
TC型UV光处理机处理。3.根据权利要求1所述的纳米金刚石电解液的制备方法，其特征在于，所述的商用LiPF6电解液为浓度1mol/L的溶剂为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯体积比1:1的LiPF6电解液。4.一种如权利要求1～3任意一项所述方法制备得到的纳米金刚石电解液。5.一种使用权利要求1所述纳米金刚石电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红东，王琛，孙小晨，张鑫，刘钧松，高楠，成绍恒，王启亮，翟晓丽，冯晶，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：