本发明专利技术涉及一种转换型负极材料的结构设计并将其成功应用在锂离子电池中。该负极材料的结构设计灵感来源于细胞中离子的迁移。不同细胞可以看作是独立的个体，他们之间发生物质运输和交换的媒介，就是填充在细胞间隙中的组织液。在这项发明专利技术中，使用导电聚合物聚多巴胺充当离子运输和交换的媒介，填充在因多次锂离子嵌入/脱嵌后发生破碎的活性物质之间，不仅可以维持活性物质的结构不坍塌，还为锂离子的传导构建出通道。此外，采用碳材料作为负极结构的骨架，同样保证了活性物质结构的稳定性，防止了黏结现象的发生，大大延长了电池的使用寿命，并且材料价格便宜，易于获得。易于获得。易于获得。
【技术实现步骤摘要】
一种转换型负极材料结构设计及制备方法用于锂离子电池
[0001]本专利技术属于资源化、无机非金属复合材料合成
，具体涉及一种锂离子电池负极高容量活性物质的结构调制。
技术介绍
[0002]锂离子电池负极材料对锂离子电池的性能具有重要影响，对锂离子电池负极材料进行结构设计是改善其电化学性能的有效手段。
[0003]石墨作为典型商用阳极，在充电和放电过程中插入位置受限和离子提取不足等问题阻碍其广泛应用。一些非碳负极材料由于具有较高的能量密度，已经引起业界的关注。其中，转换型负极材料，如过渡金属氧化物，作为锂离子电池非碳负极材料具有理论容量高、环境友好等特点，成为新一代负极材料的研究热点之一。
[0004]然而，转换型负极材料在锂离子插入和提取过程中，由于与锂离子发生转换反应，导致其在多次循环后发生体积剧烈膨胀，破碎为颗粒并易团聚，导致离子扩散长度增加，循环稳定性差，容量急剧衰减等问题。另一方面，负极材料的尺寸、形貌和结构调控都会对电化学性能产生显著的影响。
[0005]现有技术中通常使用具有较好导电能力的碳材料与转换型负极进行复合，在一定程度上缓解充放电过程中的体积效应。但是，由于简单的碳包覆会阻碍锂离子的迁移，必须透过包覆层才能嵌入到负极活性材料中。而原位生长于金属集流体基底上的碳纳米管阵列，生产成本较高，不利于工业化。
技术实现思路
[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型的结构设计思路，本结构受到细胞间物质传输的启发，采用弹性导电聚合物作为类组织液结构，使其填充在转换型负极的破碎颗粒之间，作为离子/电子的传输通道，同时维持电极结构的稳定性。该结构中，导电弹性聚合物镶嵌在转换型负极材料纳米颗粒间隙并形成外表面包覆，在电化学测试中表现出显著改善的电化学性能和循环稳定性。
[0007]提供一种碳材料作为导电基底，转换型活性物质为电极提供高容量，导电弹性聚合物多巴胺镶嵌在纳米颗粒间隙并形成外表面包覆，共同构成三维结构。
[0008]按上述方案，转换型活性物质纳米颗粒的平均直径为10
‑
500nm。
[0009]按上述方案，所述聚多巴胺包覆层厚度为3
‑
20nm。
[0010]按上述方案，碳材料、转换型活性物质和聚多巴胺的质量百分数分别为：碳材料40
‑
50％，转换型活性物质30
‑
40％，聚多巴胺10
‑
30％。
[0011]上述调制结构负极的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)选取一种合适的碳材料作为导电基底；
[0013](2)将步骤(1)得到的导电基底和转换型活性物质在水溶液中均匀混合搅拌，采用化学浴沉积的方式使活性物质均匀负载在碳材料上；
[0014](3)将步骤(2)得到的复合材料通过聚合反应包覆聚多巴胺，即得到具有填隙结构的负极电极材料。
[0015]按上述方案，所述步骤(1)碳材料的选取需要与转换型活性物质匹配，可遵循以下方案：过渡金属氧化物/石墨，过渡金属氧化物/石墨烯等。
[0016]按上述方案，步骤(2)所述转换型活性物质可以是过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、氮化物和磷化物。
[0017]按上述方案，步骤(2)所述碳材料和活性物质的质量比为1:(0.05
‑
0.5)。
[0018]按上述方案，步骤(2)所述化学浴沉积的条件为：保持温度为60
‑
100℃，反应时间为1
‑
6小时。
[0019]按上述方案，所述步骤(3)中聚合反应的条件为：将所述步骤(2)得到的复合材料置于盐酸多巴胺、三(羟甲基)氨基甲烷、过硫酸铵混合水溶液中，均匀搅拌，保温反应；其中，复合材料与盐酸多巴胺的摩尔配比为1：(2
‑
10)，盐酸多巴胺、三(羟甲基)氨基甲烷、过硫酸铵的摩尔配比为1：(5
‑
10)：(5
‑
15)，保温反应条件为：保持温度为60
‑
90℃，反应时间为6
‑
12小时。
[0020]一种锂离子电池，采用上述结构调制的复合材料作负极。具体为：将上述聚多巴胺填隙的复合材料、乙炔黑、聚四氟乙烯(PVDF)在NMP中混合均匀，研磨涂覆在铜箔上，真空干燥获得负极片。
[0021]本专利技术提供的碳材料基底均匀负载转换型活性材料，聚多巴胺镶嵌在活性材料纳米颗粒间隙并形成外表面包覆，共同构成三维结构。碳材料作为导电衬底，大规模地缓解和限制转换型活性材料纳米颗粒的团聚；其次，聚多巴胺在纳米界面的可控释放精确引导了锂离子的传输路径，保证了电化学过程中三维结构的稳定性。最后，空隙填充设计激活了非活动元件，电子的深度传导有助于增强电池性能。
[0022]本专利技术的有益效果在于：
[0023]1.本专利技术提供的碳材料基底均匀负载转换型活性材料，聚多巴胺镶嵌在活性材料纳米颗粒间隙并形成外表面包覆，共同构成三维结构。通过自组装的聚多巴胺填隙，提供了一种转换型复合材料，具有颗粒填隙结构。目的在于缓解在转换型活性物质纳米颗粒体积膨胀问题的同时，实现锂离子和电子的深度传导，激活非活性组分，提高电化学性能并延长使用寿命，可实现循环寿命显著增长的锂离子电池负极材料，其中，在0.1Ag
‑1电流密度下，比容量可高达500mAh g
‑1。
[0024]2.本专利技术所述方法制备步骤简单、反应条件温和且易控制，制备产物形貌稳定等特点；对于锂离子电池3D负极结构设计提高负极储锂上限、以及延长电池使用寿命具有重要意义。同时，本专利技术所述方法操作简便、高效环保，制备产物形貌规律。
附图说明
[0025]图1是本专利技术按照具体实施方式部分，提供的制备锂离子电池3D负极材料实验方案所得样品的电化学性能图。
具体实施方式
[0026]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术作进
一步详细描述。
[0027]实施例1：
[0028]本实施例提供一种碳材料基底均匀负载转换型活性材料，聚多巴胺镶嵌在活性材料纳米颗粒间隙并形成外表面包覆，共同构成三维结构。具体包括复合材料及其制备方法和应用，所述方法包括以下步骤：
[0029](1)选取一种石墨作为导电基底，并选取氧化镍作为转化型活性材料；
[0030](2)将步骤(1)的石墨导电基底和氧化镍转换型活性材料以1：0.3的比例在水溶液中均匀混合搅拌，保持温度为85℃，反应时间为3小时；
[0031](3)将步骤(2)得到的复合材料置于盐酸多巴胺、三(羟甲基)氨基甲烷、过硫酸铵混合水溶液中，均匀搅拌，保温反应；其中，复合材料与盐酸多巴胺的摩尔配比为1：5，盐酸多巴胺、三(羟甲基)氨基甲烷、过硫酸铵的摩尔配比为1：5：5，保温反应条件为：保持温度为60℃，反应时间为6小时。
[0032]电极的制备及性能测本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碳材料基底均匀负载转换型活性材料，聚多巴胺镶嵌在活性材料纳米颗粒间隙并形成外表面包覆，共同构成三维结构，其特征在于，碳材料表面均匀负载有转换型活性物质纳米颗粒和聚多巴胺包覆层，其中所述转换型活性物质纳米颗粒的平均直径为10～500nm，聚多巴胺均匀填充在纳米颗粒间隙和表面，共同构成三维结构。2.根据权利要求1所述的碳材料表面均匀负载有转换型活性物质纳米颗粒和聚多巴胺包覆层，其特征在于，所述聚多巴胺包覆层厚度为3～20nm。3.根据权利要求1所述的碳材料表面均匀负载有转换型活性物质纳米颗粒和聚多巴胺包覆层，其特征在于，碳材料、转换型活性物质和聚多巴胺的质量百分数分别为：碳材料40
‑
50％，转换型活性物质30
‑
40％，聚多巴胺10
‑
30％。4.一种权利要求1所述的调制结构负极的制备方法，包括如下步骤：(1)选取一种合适的碳材料作为导电基底；(2)将步骤(1)得到的导电基底和转换型活性物质在水溶液中均匀混合搅拌，采用化学浴沉积的方式使活性物质均匀负载在碳材料上；(3)将步骤(2)得到的复合材料通过聚合反应包覆聚多巴胺，即得到具有填隙结构的负极电极材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)碳材料的选取需要与转换型活性物质匹配，可...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴锋，燕乔一，李丽，徐李倩昀，陈人杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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