专利名称：一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池及超级电容器领域。涉及一种可用作锂离子电池的可逆脱嵌锂复合活性材料及其制备方法。具体涉及一类用机械化学法制备的具有高比容量、电化学脱嵌锂可逆性及循环性能稳定的氮化锂/陶瓷基复合负极材料及其制备方法。
背景技术：
锂离子电池由于具有高功率、高循环寿命、对环境友好等优势成为移动终端电子设备的备用电源。高容量的锂离子电池电极材料一直是研究的重点与热点，锂过渡金属氮化物LixMyN(M为金属元素)是高容量锂离子负极材料的一个重要分支。大量的研究表明，具有层状结构的富锂化合物锂过渡金属氮化物具有较高的容量和良好的充放电可逆性。据报道Li2.6CoG4N的稳定可逆容量可达760mAh/g。目前对于U过渡金属氮化物LixMyN的研究，仍主要局限于利用过渡金属M替代Li3N中的部分Li形成反萤石结构或具有P6对称性的层状结构的三元可逆脱嵌锂材料，如Li7MnN4、 Li3FeN2、 Li3_xCoxN、 Li3-xNixN、 LikCXN等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高比容量、循环性能稳定的具有可逆脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料及其制备方法。其特征在于以氮化锂、陶瓷粉体为反应前驱物，通过机械化学的方法，通过控制反应过程，制备成界面结合力适中、具有高分散性的氮化锂/陶瓷基复合材料。
本发明的技术方案是 一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料，是指以
氮化锂为活性增强体，含有硅元素的陶瓷粉为基体的一类复合材料，该复合材料中，活性增
强体与基体之间以化学键合为主要的界面结合方式，且具有良好的结构稳定性，考虑到组分
间的协同效应，本发明提供的复合体系中增强体与基体的摩尔比在l: 1 9: l之间；所述的
氮化锂是指粒度为微米、亚微米或纳米级，纯度大于99。/。的氮化锂粉体；含有硅元素的陶瓷粉体，包括纳米或微米级的纯硅粉、氮化硅粉、二氧化硅粉，碳化硅粉或赛龙粉；
所述的陶瓷粉与氮化锂粉体的摩尔比可以在1 9之间，可以根据反应气氛和球磨条件作
适当的调整。 一般地，材料中Li所占的摩尔比越高，材料的比容量越高，但是若氮化锂过多，
容易造成复合材料中基体与活性体之间的界面结合不完全，多于的氮化锂以单体形式混杂在
复合材料中，会影响产物的电化学稳定性。
一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料的制备过程如下
(1) 按摩尔比在1: 1 9: 1称取氮化锂和陶瓷粉，在充满氩气的环境中进行充分研磨使二者混合均匀，粉体留待备用；
(2) 将(1)中所得的混合粉体于充满氩气的环境中装入不锈钢球磨罐内并密封；
(3) 调整球磨机的转速350 600转/分，控制球磨时间5 80h。
所述的球磨机的转速可以根据反应前驱物的多少和球磨珠的用量任意调节， 一般地，转速范围控制在350转/分 600转/分之间较佳；所述的球磨时间一般为5h 80h之间，可根据反应前驱物的多少、球磨机的转速进行适当的加减，以形成增强体和基体间的化学反应界面为最优；球磨时间过长，会造成增强体和基体间的过度反应而使材料的嵌锂活性下降，球磨时间过短则会导致增强体和基体之间结合不稳定而影响循环寿命。
本发明从一个全新的角度，利用氮化锂的高锂离子导电性，提供了一种以氮化锂为增强体，以含硅陶瓷为基体的高容量可逆脱嵌锂复合材料。氮化锂材料由于其特殊的富锂结构和层状结构，其锂离子导电性较高，但由于其较低的分解电压，因此并不具有可逆的脱嵌锂性能，即不具有循环寿命，并不适合用作活性的锂离子电池电极材料。 一般的陶瓷体本身也不具有可逆的脱嵌锂性能。本发明采用机械化学法，在室温下将二者结合，制备成复合材料，使两种本不具有循环性能的单体材料由于适当的界面结合而具有了良好的循环稳定性，并且其储锂容量明显高于目前商用的锂离子电池碳类负极材料。与其他高容量材料相比，其分子中富含锂，因此其首次脱嵌锂可逆性能良好，不会因与锂离子生成不可逆的电化学产物而消耗过多的锂源。并且其充放电电压窗口宽，能承受大电流放电，因此可作为新型超级电容器 电极材料的候选材料。
本发明的有益效果是较其他高容量材料，如Si、 Sn等，这种新型的复合材料具有更 加良好的电化学循环性能和倍率性能；而较其他锂过渡金属氮化物LixMyN (M为Cu、 Co、 Ni等过渡金属)来说，本发明提供的材料具有更宽的电压窗口，并且其离子导电性及循环性 良好，在新型超级电容器电极材料方面具有潜在的应用价值。此外本发明的制备采用机械化 学法，制备方法简单，在室温下即可合成该类材料，制备过程简便，易于控制，并且所需的 原材料均不含有重金属元素，具有环保和价格低廉的优势。
图1是本发明的一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料与常规商业化中 间相碳微球的首次嵌脱锂曲线比较示意图。
图中曲线1代表实施例2制备的材料；曲线2代表商业化中间相碳微球。
具体实施例方式
实施例1
于充满Ar气的手套箱中，按摩尔比5: 3的比例称取适量的LiW和Si粉末(<100纳米)， 混合均匀，并置于不锈钢球磨罐中，密封，此时罐中充满了Ar气。在室温下，球磨机以500 转/分的转速球磨5小时，即得所需的产物。
反应后的产物，按照极片制备工艺制成电极片，极片制备方法如下称取一定量的粉末 状的球磨产物，加入20wt^的乙炔黑作为导电剂，10wtW的PTFE (聚四氟乙烯)粉末作为粘 结剂，经充分混匀后涂压在直径cH2mm的泡沫镍基体上作为电化学测试用的电极片。制备好 的极片与金属Li做对电极作成扣式电池，电解液为LiPFe/EC: DMC(l:l,Vol)。测试充放电电 流密度为0. 2mA/cm2，截止充放电电压0 3V。制备的材料具有较高的嵌锂活性，首次嵌锂容 量达到600mAh/g以上。实施例2
于充满Ar气的手套箱中，按摩尔比l: 3的比例称取LiW和纳米氮化硅粉，混合均匀， 于充满氩气的手套箱中装于不锈钢球磨罐中，封口。在室温下，球磨机以450转/分的频率球 磨10小时，即得所需的产物。反应后的产物，电化学测试过程截止充放电电压0 3V,其他 同实施例一。制备的复合负极材料具有嵌锂活性，首次可逆容量达到500mAh/g以上，首次充 放电效率在80%以上。
实施例3
于充满Ar气的手套箱中，按摩尔比3: 1的比例称取适量的LiJM和Si02粉末，混合均匀， 并置于不锈钢球磨罐中,一封口，此时球磨罐内充满了 Ar气。室温下，球磨机以600转/分的 频率球磨5小时。即得所需的产物。反应后的产物，电化学测试过程同实施例一。制备的复 合负极材料首次可逆容量达到600mAh/g以上。
实施例4
于充满Ar气的手套箱中，按摩尔比5: 3的比例称取适量的Li3N和SiC粉末，混合均匀， 并置于不锈钢球磨罐中，封口，此时球磨罐中充满了 Ar气。球磨机以500转/分的频率球磨 15小时。即得所需的产物。其他测试条件同实施例一。
实施例5
于充满Ar气的手套箱中，按摩尔比3.6: 1的比例称取适量的Li3N和赛龙粉，混合均匀， 并置于不锈钢球磨罐中，封口。再向球磨罐中充入N2，待球磨罐中全部被N2气充满后，室温 下，球磨机以400转/分的频率球磨50小时。即得所需的产物。反应后的产物具有嵌锂活性， 首次充放电能量能达300mAh/g以上。
权利要求
1、一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料，其特征在于，是以氮化锂为活性增强体，陶瓷粉为基体的复合材料，该复合材料中，增强体与基体之间以化学键合为主要的界面结合方式，增强体与基体的摩尔比在1∶1～9∶1之间；
2、 一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，具 体制备过程如下(1) 按摩尔比在1: 1 9: 1称取氮化锂和陶瓷粉，在充满氩气的环境中进行充分研 磨使二者混合均匀，粉体留待备用；(2) 将研磨的混合粉体于充满氩气的环境中装入不锈钢球磨罐内，并密封；(3) 调整球磨机的转速350 600转/分，控制球磨时间5 80h。
3、 根据权利要求1或2所述的一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料， 其特征在于，所述的氮化锂是指粒度为微米、亚微米或纳米级，纯度大于99%的氮化锂粉体。
4、 根据权利要求1或2所述的一种具有高活性脱嵌锂性能的氮化锂/陶瓷基复合材料， 其特征在于，所述的的陶瓷粉为纳米或微米级的纯硅粉、氮化硅粉、二氧化硅粉，碳化硅粉 或赛龙粉。
全文摘要
本发明属于锂离子电池及超级电容器领域。具体涉及一类用机械化学法制备的具有高比容量、电化学脱嵌锂可逆性及循环性能稳定的氮化锂/陶瓷基复合负极材料及其制备方法。该复合材料以氮化锂为活性增强体，含有硅元素的陶瓷粉为基体的一类复合材料，该复合材料中，活性增强体与基体之间以化学键合为主要的界面结合方式，且具有良好的结构稳定性，增强体与基体的摩尔比在1∶1～9∶1之间。本发明具有更加良好的电化学循环性能和倍率性能；及更宽的电压窗口，并且其离子导电性及循环性良好，在新型超级电容器电极材料方面具有潜在的应用价值。制备方法简单，易于控制，所需的原材料均不含有重金属元素，具有环保和价格低廉的优势。
文档编号C04B35/78GK101456750SQ20081023018
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者孙俊才, 季世军, 文钟晟, 嵩 李 申请人:大连海事大学