一种亲锂负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种亲锂负极材料及其制备方法和应用，所述亲锂负极材料的制备方法包括以下步骤：S1：使用酸对碳纤维织物进行表面改性，得到改性碳纤维织物；S2：将所述改性碳纤维织物浸入包括钒氧化物、还原剂和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中并进行水热反应，干燥得到载有氧化钒纳米阵列的碳纤维织物；S3：将载有氧化钒纳米阵列的碳纤维织物在含氮气氛下进行氮化处理，得到VN

【技术实现步骤摘要】
一种亲锂负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂电池领域，具体涉及一种亲锂负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着可移动便携式电子设备的广泛应用，电动汽车、智能电网的快速发展，人们对于能量密度和功率密度等一系列电池性能有了更高的追求，然而这是锂离子电池目前无法满足的。因此，以金属锂为负极的新一代锂二次电池，如锂硫(Li
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S)电池和锂氧电池(Li
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O2)电池逐渐进入了人们的视野，而锂二次电池的负极需要高能量密度的锂金属作为负极材料，但锂金属负极在循环时存在着过电位过高，界面被破坏且存在着严重的锂枝晶现象，使其仍难以作为主流的负极材料。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种亲锂负极材料的制备方法。
[0004]本专利技术的目的之二在于提供一种亲锂负极材料。
[0005]本专利技术的目的之三在于提供一种亲锂负极材料在锂电池领域中的应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：
[0007]本专利技术的第一个方面在于提供一种亲锂负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：使用酸对碳纤维织物进行表面改性，得到改性碳纤维织物；
[0009]S2：将所述改性碳纤维织物浸入包括钒氧化物、还原剂和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中并进行水热反应，干燥得到负载氧化钒纳米阵列的碳纤维织物；
[0010]S3：将负载氧化钒纳米阵列的碳纤维织物在含氮气氛下进行氮化处理，得到VN
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C纳米纤维；
[0011]S4：将所述VN
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C纳米纤维浸入熔融金属锂中反应，得到所述亲锂负极材料。
[0012]本专利技术通过步骤S1对碳纤维织物进行改性，使碳纤维织物的表面为亲水化，从而在进行水热反应时能够与钒氧化物、还原剂和聚乙烯吡咯烷酮进行反应，从而在碳纤维织物表面形成纳米球状的氧化钒纳米阵列。VN(氮化钒)通过诱导锂离子成核，实现锂离子的均匀沉积，以消除锂金属电池的枝晶问题。同时，VN纳米球阵列负载在碳纤维织物上增大了碳纤维织物的比表面积，能够减小有效电流密度，并且VN能为锂离子的沉积提供充足的形核位点；VN与熔融锂金属反应原位生成氮化锂，其与锂金属具有很好的亲和作用，能够有效降低锂金属的形核过电压，均匀化锂金属的沉积脱嵌行为，从而实现锂金属的无枝晶生长。此外，碳纤维织物能提供三维导电框架网络能极大的缓解由于锂金属在充放电过程中的体积膨胀的问题
[0013]优选地，所述酸选自硫酸、硝酸和盐酸；进一步优选地，所述酸为硝酸；再进一步优选地，所述酸为体积百分数为45～60％的硝酸溶液。
[0014]优选地，所述碳纤维织物选自碳布、碳毡或碳纸。
[0015]优选地，步骤S1为：将碳纤维织物与酸在110～130℃下反应1～3h，对碳纤维织物进行表面改性，得到改性碳纤维织物。
[0016]优选地，所述混合溶液中，钒氧化物的浓度为1～10mmol/L。
[0017]优选地，所述钒氧化物为五氧化二钒。
[0018]优选地，所述混合溶液中，还原剂的浓度为2～40mmol/L。
[0019]优选地，所述还原剂为乙二酸。若还原剂选择除乙二酸的其它材料会最终影响所得亲锂负极材料的形貌，即使得到氮化钒纳米球，氮化钒纳米球的排布紧密程度，氮化钒纳米球的颗粒的大小等等也会与本专利技术存在明显差异，最终会导致氮化后的VN
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C纳米纤维形貌产生明显差异甚至截然不同，而形貌不同，会使最终制得的锂电池的性能存在很大的差异。
[0020]优选地，所述混合溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.1～20mg/L，且聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。
[0021]优选地，所述混合溶液中的溶剂为水。
[0022]优选地，所述混合溶液的制备方法为：将钒氧化物、还原剂、聚乙烯吡咯烷酮和水加热搅拌混合。
[0023]优选地，所述加热温度为50～90℃。
[0024]优选地，所述搅拌时间为0.5～2h。
[0025]优选地，所述步骤S2中，水热反应的温度为120～200℃。
[0026]优选地，所述干燥的温度为50～70℃。
[0027]优选地，所述步骤S4中，反应温度为200～380℃。
[0028]优选地，所述氮化处理步骤具体为：在含氮气氛下，将负载氧化钒纳米阵列的碳纤维织物以2～5℃/min的升温速率先升温至170～190℃保温2～3h，再升温至450～650℃保温2～3h。
[0029]优选地，所述含氮气氛为体积比为(8～10)：1的氮气和氨气的混合气。
[0030]优选地，所述含氮气氛的流速为90～110mL/min。
[0031]优选地，所述步骤S2中，混合溶液的温度为50～90℃。
[0032]优选地，所述VN
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C纳米纤维中的氮化钒为纳米球状，进一步优选地，所述氮化钒的直径为10～30nm。
[0033]本专利技术的第二个方面提供了一种亲锂负极材料，根据本专利技术第一个方面提供的制备方法制得。
[0034]本专利技术的第三个方面提供了本专利技术第一个方面提供的亲锂负极材料在锂电池领域中的应用。
[0035]本专利技术的有益效果是：本专利技术中的亲锂负极材料的制备方法简单，操作方便，通过水热法在碳纤维织物上负载氧化钒纳米阵列，再通过氮化处理使氧化钒转化成氮化钒纳米球，然后将熔融金属锂注入VN
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C纳米纤维中制得亲锂负极材料，制备条件温和，采用常用设备即可制备，成本低廉，可以适用于大批量工业化生产。
[0036]本专利技术中的亲锂负极材料中的VN纳米球颗粒均匀，VN纳米球直径约为10～30nm，有利于锂离子的嵌入和脱嵌，具有优异的循环性能并能抑制锂枝晶的生成。将本专利技术中的亲锂负极材料制作成锂离子电池则具有较好的电化学性能，循环1000h后其极化过电位仅
56mV，且亲锂负极材料表面未出现破碎，也未形成锂枝晶。
附图说明
[0037]图1为实施例5中的VN
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C纳米纤维的X
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射线衍射图。
[0038]图2为实施例5中的VN
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C纳米纤维的扫描电镜图。
[0039]图3为以实施例5中的亲锂负极材料为负极制得的对称电池的循环性能测试图。
[0040]图4为实施例5中的亲锂负极材料经过1000h循环后的扫描电镜图。
[0041]图5为商业锂片负极材料经过300h循环后的扫描电镜图。
具体实施方式
[0042]以下结合附图和实例对本专利技术的具体实施作进一步详细说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。需要指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买得到的常规产品。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亲锂负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：使用酸对碳纤维织物进行表面改性，得到改性碳纤维织物；S2：将所述改性碳纤维织物浸入包括钒氧化物、还原剂和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中并进行水热反应，干燥得到负载氧化钒纳米阵列的碳纤维织物；S3：将负载氧化钒纳米阵列的碳纤维织物在含氮气氛下进行氮化处理，得到VN
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C纳米纤维；S4：将所述VN
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C纳米纤维浸入熔融金属锂中反应，得到所述亲锂负极材料。2.根据权利要求1所述亲锂负极材料的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中，钒氧化物的浓度为1～10mmol/L；还原剂的浓度为2～40mmol/L；聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.1～20mg/L，且聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。3.根据权利要求1所述亲锂负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，水热反应的温度为120～200℃。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：许瑞，魏子栋，李存璞，童成，罗小雪，
申请(专利权)人：重庆大学锂电及新材料遂宁研究院，
类型：发明
国别省市：