碳负极材料及制备方法与其在快充锂离子电池中的应用技术

本发明专利技术属于电池电极材料的技术领域，涉及碳负极材料及制备方法与其在快充锂离子电池中的应用。其制备方法为：将闪光焦耳加热法将碳源制成闪光石墨烯，将闪光石墨烯在惰性气氛条件下进行球磨处理获得球磨闪光石墨烯，即碳负极材料；球磨过程中，球磨时间为0.1～2h，球磨的频率为1～100赫兹。本发明专利技术提供的碳负极材料具有短有序晶格的球磨闪光石墨烯。本发明专利技术的制备方法操作简单且可实现快速、大规模地制备，将所制备的碳负极材料用于锂离子电池展现出较高的可逆容量、优异的倍率性能和循环稳定性，符合快速充电标准。符合快速充电标准。符合快速充电标准。

【技术实现步骤摘要】
碳负极材料及制备方法与其在快充锂离子电池中的应用


[0001]本专利技术属于电池电极材料的
，涉及碳负极材料及制备方法与其在快充锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命、灵活的设计等特点，在便携式电子设备、电动汽车以及智能电网中具有广泛应用。目前，锂离子电池中应用最为广泛和成熟的负极材料依然是碳基材料(主要为石墨)。锂离子电池中碳负极材料面临以下实际问题：1.天然石墨与合成石墨虽具备良好的层状结构和导电性，也适合锂的嵌入与脱出，但与有机溶剂相容性较差，导致严重的首圈充放电不可逆容量损失；2.石墨的理论比容量不高(372mAh g
‑1)；3.基于化学合成法制备的氧化石墨一般含有大量含氧基团及缺陷，极大地影响电池的倍率性能和循环稳定性。
[0004]上述碳负极材料的实际问题制约着锂离子电池的进一步发展，现今水平已难以满足人们对动力电池能量密度和快速充电的实际需求。因此，开发新型、廉价、高容量的锂离子电池负极材料并实现快充是相关研究的重点。石墨烯因其卓越的物化性质，如大比表面积、优异的导电性、良好的机械性能以及更高的理论容量(为石墨的两倍，即744mAh g
‑1)被认为是一种极具潜力的锂离子电池负极材料。然而，当前依然缺乏大规模、廉价制备高质量石墨烯的方法。此外，锂离子在动力学上难以从石墨烯层间传输，需要从边缘进入石墨烯，在面内进行迁移，导致锂离子的迁移动力学慢，难以实现快充。因此有必要开发一种快速、廉价方法大规模生产高质量石墨烯，并缩短其有序晶格长度以加快锂离子迁移动力学，最终实现快充锂离子电池。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供碳负极材料及制备方法与其在快充锂离子电池中的应用，本专利技术提供的碳负极材料具有短有序晶格的球磨闪光石墨烯。本专利技术的制备方法操作简单且可实现快速、大规模地制备，将所制备的碳负极材料用于锂离子电池展现出较高的可逆容量、优异的倍率性能和循环稳定性，符合快速充电标准。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一方面，一种碳负极材料的制备方法，将闪光焦耳加热法将碳源制成闪光石墨烯，将闪光石墨烯在惰性气氛条件下进行球磨处理获得球磨闪光石墨烯，即碳负极材料；球磨过程中，球磨时间为0.1～2h，球磨的频率为1～100赫兹。
[0008]目前生产石墨烯的常规方法有，微机械解理、化学气相沉积(CVD)、碳化硅衬底上的外延生长、剥离氧化石墨烯的化学还原、石墨的液相剥离(LPE)和碳纳米管的解链，与其
他生产石墨烯的相比，闪光焦耳加热法制备闪光石墨烯的过程，具有操作简单、速度快等优点。然而，经过实验发现，采用闪光焦耳加热法制备的闪光石墨烯的电化学性能不仅弱于乙炔黑，甚至低于商业石墨。
[0009]然而，本专利技术经过进一步研究发现，采用上述球磨方法将闪光石墨烯制成的球磨闪光石墨烯，能够大大提高其电化学性能，用于锂离子电池展现出较高的可逆容量、优异的倍率性能和循环稳定性，符合快速充电标准。
[0010]另一方面，一种碳负极材料，由上述制备方法获得。
[0011]第三方面，一种上述碳负极材料在锂离子电池，尤其是快充锂离子电池中的应用。
[0012]与现有制备方法及技术相比，本专利技术的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
[0013]本专利技术采用的球磨处理实现了碳材料有序晶格长度的降低，并引入了缺陷，增加锂离子储存的活性位点。本专利技术通过球磨处理可明显提高锂离子电池的容量、减缓容量的衰减；而且该制备工艺操作简单、原料价格低廉、过程环保且可以大批量制备。
[0014]本专利技术的球磨闪光石墨烯作为负极组装的锂离子电池在电流为0.05Ag
‑1测试条件下，首次库伦效率为70.7％，首圈放电容量为716.4mAh g
‑1；在电流为1Ag
‑1的测试条件下，循环500圈容量几乎没有衰减，循环稳定性高。参照样乙炔黑、商业石墨和未球磨的闪光石墨烯的容量均没有球磨闪光石墨烯的容量高。说明闪光石墨烯经过球磨产生的短有序晶格和缺陷为锂离子增加了结合位点，从而提升了锂离子电池的容量。
附图说明
[0015]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0016]图1为本专利技术实施例1中所得闪光石墨烯负极材料的扫描电镜图。
[0017]图2为本专利技术实施例1中所得闪光石墨烯负极材料的透射电镜图。
[0018]图3为本专利技术实施例1中所得闪光石墨烯负极材料的拉曼光谱图。
[0019]图4为本专利技术实施例1中所得球磨闪光石墨烯与闪光石墨烯、乙炔黑、商业石墨负极材料组装的锂离子电池的倍率特性图。
[0020]图5为本专利技术实施例1中所得球磨闪光石墨烯负极组装的锂离子电池在电流密度为1Ag
‑1的循环性能图。
具体实施方式
[0021]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0022]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0023]鉴于现有碳负极材料无法同时满足快速充电(具有较高的可逆容量、优异的倍率
性能和循环稳定性)和简单、快速、大规模制备的需求，本专利技术提出了碳负极材料及制备方法与其在快充锂离子电池中的应用。
[0024]本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种碳负极材料的制备方法，将闪光焦耳加热法将碳源制成闪光石墨烯，将闪光石墨烯在惰性气氛条件下进行球磨处理获得球磨闪光石墨烯，即碳负极材料；球磨过程中，球磨时间为0.1～2h，球磨的频率为1～100赫兹。
[0025]本专利技术通过对闪光石墨烯的球磨，并通过调控球磨时间和球磨转速(通过球磨频率调节球磨转速)，使获得的球磨闪光石墨烯具有短有序晶格和富含缺陷，从而提升锂离子电池的性能。
[0026]在一些实施例中，球磨的时间为0.5～1.5h，优选为0.8～1.2h。该条件下制备的碳负极材料的性能更好。
[0027]在一些实施例中，球磨的频率为10～50赫兹，优选为30～50赫兹。该条件下制备的碳负极材料的性能更好。
[0028]在一些实施例中，所述碳源为导电炭黑、乙炔黑或商业石墨。
[0029]在一些实施例中，闪光焦耳加热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳负极材料的制备方法，其特征是，将闪光焦耳加热法将碳源制成闪光石墨烯，将闪光石墨烯在惰性气氛条件下进行球磨处理获得球磨闪光石墨烯，即碳负极材料；球磨过程中，球磨时间为0.1～2h，球磨的频率为1～100赫兹。2.如权利要求1所述的碳负极材料的制备方法，其特征是，球磨的时间为0.5～1.5h，优选为0.8～1.2h。3.如权利要求1所述的碳负极材料的制备方法，其特征是，球磨的频率为10～50赫兹，优选为30～50赫兹。4.如权利要求1所述的碳负极材料的制备方法，其特征是，所述碳源为导电炭黑、乙炔黑或商业石墨。5.如权利要求1所述的碳负极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓伟侨，杨红燕，吴昊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：