碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及准晶合金复合材料的制备，特别是一种碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]开发高容量、高循环型的负极材料是提高锂离子电池性能的重要途径。目前常用的锂离子负极材料有石墨、S1、钛酸锂、金属负极材料等。其中商用的负极材料是石墨，其循环性能好，但是理论容量低，仅有400mAh/g。Si具有高的理论容量，可以达到4000mAh/g，放电电压平台接近纯锂，但是其循环寿命非常低。钛酸锂具有高的循环寿命，但是其理论容量低，放电平台电压高。合金负极材料有理论贮锂容量高、储锂电位低的优点。目前用作锂离子电池负极材料的合金材料大多是锡基合金、铝基合金、硅基合金、锑基合金、镁基合金。
[0003]合金负极目前使用的主要问题是充放电过程中伴随着锂原子在合金基体中的嵌入和脱出，这将导致合金基体体积的较大变化，这将使得合金负极的循环性能降低。目前广泛采用A-M"式金属间化合物的形式来缓冲合金负极材料的体积效应，其中A是Al、Sn、Si和Sb等活性贮锂元素，M"是不能与锂形成合金的元素。该体系的显著特点是可以利用惰性组分缓冲锂嵌脱反应时引起的体积变形，在一定程度上提高了合金负极材料的循环性能。Al的理论储锂容量可以达到2233mAh/g，远高于目前商用的石墨的372mAh/g的理论容量。因此金属Al在锂离子电池负极中有潜在的应用前景。
[0004]准晶是具有非晶体学旋转对称性的固态有序相。准晶材料同时具有长程准周期平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，具有五次、八次、十次等旋转对称轴。由于对称性的限制，准晶材料的结构是一种比较疏松的结构。比如二十面体准晶，由于其结构决定其中具有大量四面体配位结构，这些位置可以储存大量氢原子，可以作为储氢材料使用，参见:TiZrNi准晶电化学储氢性能研究，姜训勇张磊张瑞刘庆锁，稀有金属，2012，N0.2，P249-253。准晶材料还具有许多的优良性能，如低热导率、低表面能、低摩擦系数、抗腐蚀、耐磨损等。
[0005]Al-Cu-Fe准晶材料是目前为数不多的在室温热力学稳定的二十面体准晶相。这种准晶中含有大量的锂化物形成元素Al。以典型的Al63Cu25Fei2准晶为例，其理论储锂容量达至IJ1200mAh/g以上。因此准晶在锂离子电池负极材料方面有很好的应用前景。
[0006]目前，AlCuFe准晶已经应用于锂离子电池的负极材料。实验结果表明,AlCuFe准晶材料具有较好的储锂性能，参见:将AlCuFe准晶合金用于锂离子电池负极材料的方法，中国专利申请号:201510033469.Xt3AlCuFe准晶材料具有较好的储锂性能，但是其循化稳定性有待提尚O
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的制备方法及应用，将制备的碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料用于锂离子电池负极材料，可拓展铝基合金用作锂离子电池材料的使用范围，满足人们对高容量小体积锂离子电池的需要。
[0008]本发明的技术方案:
[0009]一种碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的制备方法，将AlCuFe准晶合金粉末表面包覆碳，制得碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料，包覆方法为球磨掺杂法、原位CVD生长或溶液浸涂法，合金粉末表面包覆碳薄膜的厚度为Ι-lOOOnm，包覆用碳材料为石墨、乙炔黑、碳纳米管和石墨稀中的一种或两种以上任意比例的混合物;所述Al CuFe准晶合金由Al、Cu和F e组成，各元素的质量百分比含量为:Cu 25-45%、Fel2-20%、Al为余量。
[0010]一种所制备的碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的应用，用于制备锂离子电池的负极材料，方法如下:
[0011]I)将碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料与导电剂、粘结剂、分散剂混合得到混合粉料，然后将混合粉料加入溶剂中并混合均匀，得到粘度为2000-10000Cp的电极浆料，所述导电剂为比表面积为10-3000m2/g的导电炭黑，粘结剂为丁苯橡胶，分散剂为羟甲基纤维素，溶剂为去离子水;金属薄膜包覆AlCuFe准晶合金粉末与导电剂、粘结剂、分散剂的质量比为70-90:2-15:1-3: 1-3，混合粉料与溶剂的质量比为1:0.5-3;
[0012]2)将上述电极浆料均匀涂覆在集流体表面，烘干后制得锂离子电池的负极片，所述集流体为铜箔或泡沫镍，电极楽料在集流体表面的涂覆量为1-1 Omg/Cm2。
[0013]本发明提出对AlCuFe准晶进行碳包覆，获得碳/AlCuFe准晶复合材料，将其应用于锂离子电池负极材料，充分利用准晶材料的特殊原子排列方式和碳改性的作用，碳包覆可以提高准晶材料的电子导电性，提高准晶合金的储锂性能，改善准晶合金充放电过程中容量的循环稳定性，最终使得合金具有良好的循环特性和高的储锂容量。
[0014]本发明的优点是:
[0015]该制备方法工艺简单、易于实施;该方法制备的碳包覆AlCuFe准晶复合材料用于制备锂离子电池负极材料，拓展铝基合金用作锂离子电池材料的使用范围，在一定程度上满足人们对高容量小体积锂离子电池的需要。
【具体实施方式】
[0016]以下通过实施例讲述本发明的详细过程，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。
[0017]实施例1:
[0018]—种碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的制备方法，首先制备AlCuFe准晶合金粉末，将准晶合金粉末与碳材料进行复合，在准晶合金粉末表面包覆碳材料，步骤如下:
[0019]DAlCuFe准晶合金粉末的制备
[0020]AlCuFe准晶合金由Al、Cu和Fe组成，各元素的质量百分比含量为:Cu 25%、Fe 12 %、Al为余量，AlCuFe准晶合金粉末的制备方法是:以纯Al、纯Fe、纯Cu为原料，按各合金成分质量配比在真空感应熔炼制得AlCuFe准晶合金铸锭，熔炼温度为1200°C;将上述AlCuFe准晶合金铸锭利用球磨机进行机械粉碎，得到50um的合金粉末;将上述合金粉末在870°C保温处理12h，制得AlCuFe准晶合金粉末；
[0021 ] 2)碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料的制备
[0022]将上述AlCuFe准晶合金粉末表面包覆碳，包覆方法为球磨掺杂法，合金粉末表面包覆碳薄膜的厚度为10nm，包覆用碳材料为石墨，方法是:将AlCuFe准晶合金粉末与石墨混合，AlCuFe准晶合金粉末与石墨的质量比为1:0.2，将混合料放入球磨罐中，充入氩气保护，磨球与混合料的质量比为40:1，以500转/分转速球磨100小时，得到碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料。
[0023 ]将制备的碳包覆Al CuFe准晶合金复合材料用于制备锂离子电池的负极材料，方法如下:
[0024]I)将85g碳包覆AlCuFe准晶合金复合材料与1g比表面积为250m2