一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池领域，具体为一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法。选用粘附性高、力学性能优异及利于锂离子迁移的聚丙烯酸锂作为粘结剂，高比表面积、大的长径比、高导电性的单壁碳纳米管作为添加剂；通过包碳技术将微波辅助溶剂热合成的Zn2SiO4进行碳包覆，将碳包覆的Zn2SiO4与粘结剂聚丙烯酸锂、导电剂及单壁碳纳米管水性添加剂按照一定比例在水溶剂中制成均匀的浆料，涂覆于集流体并在真空烘箱中干燥，裁片、组装成扣式电池。该电池不仅倍率性能得到了显著改善，而且长循环稳定性也得到了有效提高。本发明专利技术适用于多种锂离子电池负极材料，尤其对于合金化和转化型储锂机制的负极材料。于合金化和转化型储锂机制的负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体为一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法。

技术介绍

[0002]能源与环境等问题是人类社会当前面临的最主要问题之一，可再生能源及其相关技术的研发将是解决该问题的关键(G
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r T M.Review of electrical energy storage technologies,materials and systems:challenges and prospects for large
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scale grid storage[J].Energy&Environmental Science,2018,11(10):2696
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2767.)。锂离子电池作为清洁能源能够高效、安全的实现能量的存储与释放，成为了高能量密度储能器件的首选电源。随着全球各地陆续出台新能源汽车的鼓励政策，新能源汽车得到大力发展，续航里程却成为新能源电车普及的主要障碍，而锂离子电池成为制约其发展的主要因素。相比传统燃油车的1300Wh kg
‑1能量密度，目前，锂离子电池的单体能量密度刚突破300Wh kg
‑1，正负极材料的革新是突破动力电池能量密度的关键因素，商业上主流正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂、三元镍钴锰等研究较为成熟，容量难以实现突破(Goodenough J B,Park K S.The Li
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ion rechargeable battery:a perspective[J].Journal of the American Chemical Society,2013,135(4):1167
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1176.)。因此，负极材料的革新将是突破动力电池能力密度的关键，商业上应用规模最大的负极材料是石墨，其理论比容量难以达到电池单体能量密度300Wh kg
‑1以上的目标，开发能量密度高、安全性好、成本低廉的负极材料迫在眉睫。
[0003]为解决负极材料存在的瓶颈，科研人员不断的探究突破口，展开大量的科学研究。近年来，人们发现一些过渡金属硅酸盐类材料拥有着优良的电化学性能，如硅酸锌(Zn2SiO4)。这类材料由于具有来源广、安全性高、循环性能稳定及理论比容量高等优势，开始受到人们的关注。
[0004]文献(Tang C,Wang C,Li J,et al.Zinc silicate@carbon bundled nanowires for durable lithium storage[J].Journal of Alloys and Compounds,2021,872:159650.)报道一种利用水热反应合成Zn2SiO4束状纳米线，测试了其锂离子电池性能。采用硝酸锌和硅酸钠为原料，溶解于水中，并添加氨水与氯化钠，将上述溶液转移至反应釜，180℃保温12h，为了提高其导电性，利用盐酸多巴胺对其碳包覆，500℃保温5h。组装成扣式电池的电化学性能，在0.2A g
‑1电流密度下，比容量达到644mAh g
‑1，甚至在2A g
‑1电流密度下循环1000圈仍保持427mAh g
‑1的比容量。该方法保温周期较长，生产效率较低，加之碳包覆成本昂贵，不利于工业化生产。文献(Liu F,Liu S,Meng J,et al.Stabilizing conversion reaction electrodes by MOF derived N
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doped carbon shell for highly reversible lithium storage[J].Nano Energy,2020,73:104758.)采用有机金属框架衍生碳包覆Zn2SiO4纳米线来改善其电化学性能。以硝酸锌与二氧化硅为原料，通过氢氧化钠
调节pH，将反应溶液置于反应釜中于220℃的极端温度下保温24h。碳包覆采用有机金属框架衍生的碳，采用梯度热处理工艺，180℃保温3h，然后700℃保温3h。在0.1A g
‑1电流密度下，比容量达到640mAh g
‑1，但是在5A g
‑1电流密度下仅有280mAh g
‑1的比容量。该方法中水热处理温度高、保温时间长、对设备要求较苛刻，并且生产效率较低，同时样品的高倍率性能不够理想，难以实现商业化。
[0005]综上，目前制备的Zn2SiO4纳米材料的电化学性能仍难以满足当前新能源电车的要求，实现高倍率的长循环稳定性仍具有挑战性。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，可简单、快捷提高Zn2SiO4锂离子电池循环稳定性，解决了Zn2SiO4纳米材料高倍率的长循环稳定性差的难题，能够满足未来新能源电车的要求。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，首先，利用微波辅助溶剂热法合成Zn2SiO4纳米球；然后，利用碳包覆技术对Zn2SiO4纳米球进行碳包覆，将碳包覆的Zn2SiO4与导电剂、粘结剂、添加剂混成均匀的浆料，涂覆于集流体并在真空烘箱中干燥，裁片、组装成扣式电池。
[0009]所述的具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，具体步骤如下：
[0010](1)采用微波辅助溶剂热的方法制备Zn2SiO4纳米球；
[0011](2)将Zn2SiO4纳米球与碳源研磨混匀，去除溶剂后，放入管式气氛炉进行热处理，即获得碳包覆的Zn2SiO4纳米球；
[0012](3)将碳包覆的Zn2SiO4纳米球与导电剂、粘结剂、水性添加剂和水混成均匀的浆料，涂覆于集流体并在真空烘箱中干燥，裁片并组装成扣式电池，测试其电化学性能。
[0013]所述的具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，步骤(1)中，制备Zn2SiO4纳米球的前驱体溶液是：浓度为0.5～3mol L
‑1的二水合乙酸锌水溶液中与浓度为0.2～2mol L
‑1的正硅酸四乙酯的乙醇溶液混合获得，混合液搅拌时间为0.5～4h。
[0014]所述的具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，步骤(1)中，制备Zn2SiO4纳米球的前驱体溶液利用微波辅助加热，加热温度为150～220℃，保温时间为0.1～5h，制备Zn2SiO4纳米球尺寸为200～800nm。
[0015]所述的具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，步骤(2)中，碳源为葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉和糊精中的一种或两种以上，管式气氛炉的处理温度为500～800℃，保温时间为0.5～5h，处理气氛为Ar/H2混合气体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，首先，利用微波辅助溶剂热法合成Zn2SiO4纳米球；然后，利用碳包覆技术对Zn2SiO4纳米球进行碳包覆，将碳包覆的Zn2SiO4与导电剂、粘结剂、添加剂混成均匀的浆料，涂覆于集流体并在真空烘箱中干燥，裁片、组装成扣式电池。2.按照权利要求1所述的具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)采用微波辅助溶剂热的方法制备Zn2SiO4纳米球；(2)将Zn2SiO4纳米球与碳源研磨混匀，去除溶剂后，放入管式气氛炉进行热处理，即获得碳包覆的Zn2SiO4纳米球；(3)将碳包覆的Zn2SiO4纳米球与导电剂、粘结剂、水性添加剂和水混成均匀的浆料，涂覆于集流体并在真空烘箱中干燥，裁片并组装成扣式电池，测试其电化学性能。3.按照权利要求2所述的具有高倍率和长循环稳定性的Zn2SiO4锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备Zn2SiO4纳米球的前驱体溶液是：浓度为0.5～3mol L
‑1的二水合乙酸锌水溶液中与浓度为0.2～2mol L
‑1的正硅酸四乙酯的乙醇溶液混合获得，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程仁飞，王晓辉，张超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：