一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料及其制備方法，該電極材料本體為鋰鋁合金納米粒子，通過高溫固相法將有機碳源均勻地包覆鋰鋁合金納米粒子上形成嵌入型結構，最后在惰性氣氛下高溫煅燒碳化得到碳包覆鋰鋁合金納米粒子，這種復合材料可以緩沖體積膨脹，防止電極結構坍塌，同時保證了整體電極的優良導電性。采用這種復合材料作為鋰離子電池負極材料可以得到儲鋰容量高、循環性能優良的鋰離子電池負極材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電化學
，具體涉及一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料及其 制備方法。
技術介紹
隨著經濟的不斷發展，人類對自然資源的需求量越來越大，從而導致自然資源枯 竭和環境污染等問題。所以開發新能源技術迫在眉睫。鋰離子電池作為一種較新的二次能 源，具有質量輕、工作電壓高、實際充放電比容量大、環保等優點，已經被廣泛地應用到了人 類的生活中，比如說移動電話，筆記本電腦等。但隨著科學技術的發展，人們對目前已經產 業化的鋰離子電池提出了更高的要求，希望其具有更高的能量密度和功率密度。 制備鋰鋁合金的方法有很多，比如高能球磨法、真空熔煉法、粉末冶金法，離子液 體電沉積。碳包覆的方法包括高溫固相法、電弧放電法、液相浸漬法、熱解法、化學氣相沉積 法。電弧放電法是在惰性氣氛下，用直流電弧放電蒸發石墨電極便可在沉積于陰極或反應 室壁上的產物中獲得。化學氣相沉積是在反應室中，把要包覆的顆粒均勻分散基板上，在一 定的溫度下通入碳源氣，在金屬顆粒的催化作用下發生熱解反應并于基板上沉積成碳。液 相浸漬法是首先用擬包覆的金屬鹽溶液浸漬非石墨化碳，然后進行過濾干燥后，進一步在 惰性氣氛中進行高溫熱處理，產物中即包含許多碳包覆納米金屬顆粒。熱解法是將在空氣 中定存在且具有可溶性的有機屬化合物、有機金屬聚合物或高分子絡合物等作為金屬源與 合適的碳源在惰性氣氛中進行熱解可以獲得納米金屬粒子均勻分散于碳基體的復合材料。 高溫固相法則是在高溫下，固體界面間經過接觸，反應，成核，晶體生長反應得到產物。 現在的鋰離子電池的負極材料主要是碳材料，包括石墨化碳材料，如石墨化中間 相碳微球和一些熱解硬碳。目前，其實際比容量一般不超過400mAh/g，已經無法滿足現實 新能源汽車和高端電子設備的需要。 金屬鋰有最負的電位和最高的質量比容量（3860mAh/g)，但在充放電過程中存在 枝晶和固有的安全問題。裡和錯形成AlLi合金，質量比容量商達993mAh/g，可避免了枝晶 的產生，同時電壓比石墨要高，但是它在充放電過程中，體積變化很大，導致材料結構的變 化，容量的衰減和循環性能的惡化。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術所要解決的技術問題是提供一種鋰離子電池碳包覆 納米級鋰鋁合金負極材料及其制備方法，該材料儲鋰容量高，循環性能好，制備方法簡 單，成本低，本專利技術提出的碳包覆納米級鋰鋁合金的電極材料，其并非由碳材料與合金粒 子簡單混合組成，而是由有機碳源均勻包覆的合金粒子在高溫下碳化反應形成的碳與本 體材料嵌入型結構，其碳層與本體的合金材料結合緊密，不易剝離，并且有一定的膨脹收 縮性和良好的電子導電能力。 本專利技術具體的技術方案是提供一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料及其制備方 法，制備方法具體包括以下步驟：1)將比例為1:1~3:1的鋰片和鋁粉和:T5g干燥氯化鈉 經過高能球磨法在惰性氣氛下制備鋰鋁合金納米粒子； 2) 加入有機碳源充分球磨，使其混合均勻； 3) 通過高溫固相法，將混合均勻好的球磨后的材料，在惰性氣氛下高溫煅燒碳化后得 到碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料。 步驟1)所述的高能球磨法制備鋰鋁合金粉體的球磨時間10_15h。 所述的高能球磨法所得的鋰鋁合金粉體粒徑在納米級。 所述高能球磨利用球磨機的轉動和振動使硬球對原料進行強烈的撞擊，研磨攪 拌，把金屬或合金粉末粉碎為納米級粒子的方法，與其他物理方法相比，該法簡單實用，可 以在比較溫和的條件下制備納米級金屬合金，而且其組織分布均勻。 步驟2)所述有機碳源為檸檬酸、抗壞血酸、葡萄糖、NMP、浙青、酚醛樹脂中的任一 種。 步驟3)所述高溫固相法具體是指將步驟2)的混合均勻好的球磨后的材料放置于管式 爐的惰性氣體中，在某一溫度范圍內進行熱處理。 步驟3)所述的惰性氣氛為氬氣、氦氣中的任一種。 步驟3)所述高溫煅燒溫度范圍為500-700°C，保溫時間為1飛小時，最后得到的 碳包覆鋰鋁合金納米粒子中碳的含量占復合材料總質量的10 - 30wt%。 所述制備方法制備出的一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料。 所述材料的本體為鋰鋁合金粒子，碳包覆層是均勻完整地包覆在合金納米粒子表 面，其碳含量占復合材料總質量的10% - 30%。 若碳含量少于10%，則由于碳含量過低，無法使鋰鋁合金粒子完全分散，若碳含量 大于30%，則由于這部分碳材料本身的容量較低，從而在很大程度上降低整個復合材料的 容量。 本專利技術的有益效果是：本專利技術的碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料中碳的分布是嵌 入型。在這種復合材料的結構中，鋰鋁合金納米粒子均勻地分散在碳分散載體中，形成均 勻的兩相復合體系，在充放電過程中，鋰鋁合金納米粒子是電化學反應的活性中心，碳載體 雖然具有脫嵌鋰的能力，但主要起離子、電子的傳輸通道和支撐體作用。因此，在循環過程 中，這種復合材料可以緩沖體積膨脹，防止電極結構坍塌，同時保證了整體電極的優良導電 性。采用這種復合材料作為鋰離子電池負極材料可以得到儲鋰容量高、循環性能優良的鋰 離子電池負極材料，采用本專利技術的碳包覆納米級鋰鋁合金復合電極材料，可用于鋰離子電 池負極，其為嵌入型結構，其比容量明高于傳統的石墨負極材料，而循環性能也大大優于 普通的合金材料。 【附圖說明】 圖1是嵌入型的碳包覆模型圖。 圖中：1、碳2、鋰鋁合金納米粒子。 【具體實施方式】 下面結合附圖和具體實施例對本專利技術做進一步詳細說明，但不是對本專利技術的限 制。 實施例1 將鋰片和鋁粉按一定2. 8:1的比例放入球磨罐中混合均勻，取若干個大小不同的不 銹鋼球，將球與原料一并放入球磨罐中，然后將球磨罐內氣體抽空，并充入氬氣保護，加 入lg的干燥食鹽作助磨劑，防止粉末在球磨過程中結塊，得到一定量的鋰鋁合金粉末.取 上述制備的鋰鋁合金粉末10. 〇g，取制備好的鋰鋁合金粉體l〇g，再加入3g的葡萄糖，充分 球磨，置于管式爐中650°C煅燒3個小時，得到碳包覆納米級鋰鋁合金電極材料。 實施例2 將鋰片和鋁粉按一定1. 5:1的比例放入球磨罐中混合均勻，取若干個大小不同的不 銹鋼球，將球與原料一并放入球磨罐中，然后將球磨罐內氣體抽空，并充入氬氣保護，加 lg的干燥食鹽作助磨劑，防止粉末在球磨過程中結塊，得到一定量的鋰鋁合金粉末.取上 述制備的鋰鋁合金粉末10. 〇g，加入1. 5g多孔炭，充分球磨，得到碳包覆納米級鋰鋁合金 電極材料。 實施例3 將鋰片和鋁粉1. 2:1的比例放入球磨罐中混合均勻，取若干個大小不同的不銹鋼球， 將球與原料一并放入球磨罐中，然后將球磨罐內氣體抽空，并充入氬氣保護，加入lg干 燥的食鹽作助磨劑，防止粉末在球磨過程中結塊。取4. 0g的浙青，溶于一定體積的二硫化 碳中，攪拌直至其溶解，再加入10. 〇g的鋰鋁合金粉體，分離出前驅體，于氬氣氣氛下烘干， 置于管式爐中700°C煅燒4小時，得到碳包覆納米級鋰鋁合金電極材料。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料的制備方法,其特征是具體包括以下步驟：1）將比例為1:1~3:1的鋰片和鋁粉和1~5g干燥氯化鈉經過高能球磨法在惰性氣氛下制備鋰鋁合金納米粒子；2）加入有機碳源充分球磨，使其混合均勻；3）通過高溫固相法，將混合均勻好的球磨后的材料，在惰性氣氛下高溫煅燒碳化后得到碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料。

【技術特征摘要】
1. 一種碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料的制備方法，其特征是具體包括以下步驟：1) 將比例為的鋰片和鋁粉和廣5g干燥氯化鈉經過高能球磨法在惰性氣氛下制備鋰 錯合金納米粒子； 2) 加入有機碳源充分球磨，使其混合均勻； 3) 通過高溫固相法，將混合均勻好的球磨后的材料，在惰性氣氛下高溫煅燒碳化后得 到碳包覆納米級鋰鋁合金負極材料。2. 根據權利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟1)所述的高能球磨法制備鋰 鋁合金粉體的球磨時間l〇_15h。3. 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的高能球磨法所得的鋰鋁合金粉 體粒徑在納米級。4. 根據權利要求1中所述的制備方法，其特征是步驟2)所述有機碳源為檸檬酸、抗壞 血酸、葡萄糖、NMP、浙青、酚醛樹脂中的任一種。5. 根據權利要求1中所述的制備方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王紅強，林喜樂，胡思江，彭繼明，楊水彬，陳肇開，范海林，潘齊常，
申請(專利權)人：黃岡師范學院，
類型：發明
國別省市：湖北;42