一种快离子导体包覆的石墨复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术为一种快离子导体包覆的石墨复合材料及其制备方法。一种快离子导体包覆的石墨复合材料，包括内核和包覆所述的内核的外壳；其中，所述的内核为石墨；所述的外壳为双层结构，内层为第一包覆层，含有快离子导体；外层为第二包覆层，是含氮无定形碳。本发明专利技术还公开了该石墨复合材料的制备方法。本发明专利技术所述的一种快离子导体包覆的石墨复合材料及其制备方法，利用第一包覆层和第二包覆层之间的协同作用，即快离子导体锂离子导电率高、结构稳定，第二包覆层含氮无定形碳电子导电高的特性，同时第一包覆层和第二包覆层通过偶联剂连接提升材料之间的结合力，降低层间的阻抗提升循环性能和功率性能。和功率性能。和功率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种快离子导体包覆的石墨复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术具体涉及一种快离子导体包覆的石墨复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前市场化的锂离子电池的负极材料主要以石墨(天然石墨、人造石墨)为主，其具有导电性好、可逆比容量高的优势。但石墨材料的结构稳定性差，与电解液的相容性差，并且锂离子在其有序层状结构中的扩散速度慢，导致该材料不能大倍率的充放电。
[0003]同时石墨复合材料比容量目前达到360mAh/g，已经接近理论比容量372mAh/g，其包覆材料为沥青或树脂碳化后形成的无定形碳。但是无定形碳材料的比容量偏低(300mAh/g左右)，首次效率低(80
‑
85％)；电子导电性虽然高，但是材料的离子导电性较差，影响其材料的快充性能及其首次效率。
[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种石墨复合材料的新的包覆材料及其制备方法，采用快离子导体作为包覆材料，其为一种含锂金属无机化合物，具有锂离子导电性高、结构稳定，且与电解液反应不剧烈，可以改善材料表面的动力学及其循环性能，包覆在石墨表面不失为一种提升快充性能的措施。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种快离子导体包覆的石墨复合材料，该复合材料在石墨表面包覆双层结构，快离子导体复合层和含氮无定形碳层，有利于提升材料的快充、首次效率及其循环性能。
[0006]为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
[0007]一种快离子导体包覆的石墨复合材料，包括内核和包覆所述的内核的外壳；
[0008]其中，所述的内核为石墨；
[0009]所述的外壳为双层结构，内层为第一包覆层，含有快离子导体；外层为第二包覆层，是含氮无定形碳。
[0010]进一步的，所述的内核：第一包覆层：第二包覆层的质量比为90
‑
98：1
‑
5：1
‑
5。
[0011]进一步的，所述的第一包覆层的厚度为0.5
‑
2μm，第二包覆层厚度为0.1
‑
0.5μm。
[0012]进一步的，所述的第一包覆层的组成为：80
‑
90wt％快离子导体，1
‑
5wt％石墨烯，其余为无定形碳。
[0013]进一步的，所述的快离子导体为LiAlSiO4、LiNbO3、Li7La3Zr2O
12
、Li
0.5
La
0.5
TiO3、Li
1.4
Al
0.4
Ti
1.6
(PO4)3中的一种。
[0014]本专利技术的另一个目的在于提供上述石墨复合材料的制备方法，该制备方法简单。
[0015]为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
[0016]上述的石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0017](1)将快离子导体、氧化石墨烯N
‑
甲基吡咯烷酮导电液均匀分散到有机溶剂中后，在100
‑
200℃、1
‑
5Mpa的条件下，反应1
‑
6h，过滤，真空干燥，得到包覆材料A；
[0018](2)将所述的包覆材料A通过粒子注入法，植入到人造石墨表面，得到材料1；
[0019](3)向偶联剂溶液中加入导电聚合物、1
‑
10wt％盐酸溶液，混合均匀后，加入所述的材料B，分散均匀后，添加有机熔剂稀释，喷雾干燥、粉碎、炭化处理、粉碎、分级，得所述的石墨复合材料。
[0020]进一步的，所述的步骤(1)中，有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、四氯化碳、环己烷、二甲苯、四氢呋喃中的一种；
[0021]所述的步骤(2)中，在氩气、氧气、氮气和氨气中的至少一种气氛下进行；
[0022]所述的步骤(3)中，偶联剂为(3
‑
氨丙基)三甲氧基硅烷、(3
‑
氨丙基)三乙氧基硅烷、(3
‑
氨丙基)二甲氧基甲基硅烷、(3
‑
氨丙基)二乙氧基甲基硅烷、N
‑
(2
‑
氨乙基)
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷、N
‑
甲基氨丙基三乙氧基硅烷中的一种；
[0023]导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种。
[0024]再进一步的，所述的步骤(1)中，快离子导体、有机溶剂的质量体积比为100g：500
‑
1000ml；
[0025]所述的步骤(2)中，在氧气或氨气的气氛下进行，
[0026]所述的步骤(3)中，偶联剂、导电聚合物、材料B的质量比为0.5
‑
2：1
‑
10：100。
[0027]再进一步的，所述的步骤(1)中，氧化石墨烯N
‑
甲基吡咯烷酮导电液中氧化石墨烯的质量分数为1
‑
5wt％；
[0028]所述的步骤(2)中，气体流量为10
‑
100sccm，气压2
×
10
‑4‑5×
10
‑4Pa，时间1
‑
60min；
[0029]所述的步骤(3)中，偶联剂溶液中溶质和有机溶剂的质量比为1
‑
5:100；
[0030]碳化温度为800
‑
1200℃，时间为1
‑
6h。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0032]1、本专利技术的技术方案，在石墨表面包覆双层结构，快离子体层可以提升材料中锂离子的嵌脱速率，并且快离子层间掺杂石墨烯可以提升其快离子材料的电子导电率。外层的含氮碳层，利用氮原子提升碳包覆层的电子导电性，并且将快离子层与电解液隔绝，降低副反应。
[0033]2、本专利技术的技术方案，采用粒子注入法，较采用传统的物理及其化学法包覆具有过程可控，植入深度可控，均匀性好，且粒子注入法对植入和被植入材料的结构性能没有影响，同时可以根据性能要求，确定植入材料的深度和数量；
[0034]3、本专利技术的技术方案，外层导电聚合物在盐酸条件下具有高的电子导电性，同时与碱性偶联剂的协同作用，可以均匀包覆在第一包覆层的表面，且结合力强，结构稳定，同时导电聚合物碳化后形成的无定形碳具有各项同性好的特性，提升材料的快充性能。
附图说明
[0035]图1为实施例1制备出的石墨复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0036]为了进一步阐述本专利技术一种快离子导体包覆的石墨复合材料及其制备方法，达到预期专利技术目的，以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种快离子导体包覆的石墨复
合材料及其制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快离子导体包覆的石墨复合材料，其特征在于，所述的石墨复合材料包括内核和包覆所述的内核的外壳；其中，所述的内核为石墨；所述的外壳为双层结构，内层为第一包覆层，含有快离子导体；外层为第二包覆层，是含氮无定形碳。2.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述的内核：第一包覆层：第二包覆层的质量比为90
‑
98：1
‑
5：1
‑
5。3.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述的第一包覆层的厚度为0.5
‑
2μm，第二包覆层厚度为0.1
‑
0.5μm。4.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述的第一包覆层的组成为：80
‑
90wt％快离子导体，1
‑
5wt％石墨烯，其余为无定形碳。5.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述的快离子导体为LiAlSiO4、LiNbO3、Li7La3Zr2O
12
、Li
0.5
La
0.5
TiO3、Li
1.4
Al
0.4
Ti
1.6
(PO4)3中的一种。6.权利要求1所述的石墨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将快离子导体、氧化石墨烯N
‑
甲基吡咯烷酮导电液均匀分散到有机溶剂中后，在100
‑
200℃、1
‑
5Mpa的条件下，反应1
‑
6h，过滤，真空干燥，得到包覆材料A；(2)将所述的包覆材料A通过粒子注入法，植入到人造石墨表面，得到材料B；(3)向偶联剂溶液中加入导电聚合物、1
‑
10wt％盐酸溶液，混合均匀后，加入所述的材料B，分散均匀后，添加有机熔剂稀释，喷雾干燥、粉碎、炭化处理、粉碎、分级，得所述的石墨复合材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福寿，王福国，王福山，裴成勇，裴国军，
申请(专利权)人：新疆天宏基科技有限公司，
类型：发明
国别省市：