专利名称：一种锂离子电池的原位组装方法
技术领域：
:本发明属于锂离子电池制备技术领域，涉及一种利用单根纳米线或纳米管原位组装锂离子电池的新工艺，特别是一种锂离子电池的原位组装方法。
背景技术：
:锂离子电池因其具有容量高，工作电压高，质量轻，循环寿命长，安全性能好，对环境无污染等优点，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术和国防工业等方面具有广阔的应用前景。锂离子电池电极材料在充放电过程中会发生一系列复杂的化学反应，伴随着这些化学反应电极材料会发生体积的膨胀与收缩，多次膨胀和收缩会对电极材料造成不可逆转的破坏，国内外研究人员发现过渡族金属氧化物具有能量密度高、贮锂容量高等优点，同时纳米线具有表面积大、电子和离子传输路径短以及对体积效应适应性良好等一系列优点，因此过渡族金属氧化物纳米线/管已成为目前锂离子电池负极材料的研究热点。锂离子电池电极材料在充放电过程中会发生一系列复杂的化学反应，其中最主要的就是嵌锂和脱锂过程。传统的表征手段只能通过宏观的性能测试来推测电极上发生的化学反应以及微观结构的变化，不能获得单根纳米线在充放电过程中的微观结构演变等信息。近几年，随着原位电子显微学研究的兴起，国外研究者已开始利用原位透射电子显微学对单根金属氧化物纳米线的结构演变进行研究。然而，传统的锂离子电池一般需要液体电解质，不能直接放入高度真空的透射电镜中，因此充放电过程中金属氧化物纳米线的嵌锂/脱锂工作机制尚未完全解明。一些研究者试图在液体锂离子电池的底部和顶部用氮化硅密封膜封住液体，这能够很好地观察纳米颗粒或晶粒的生长过程，但是受空间分辨率限制，仍不能进行实时观察分析。因此，利用单根纳米线或纳米管在透射电镜中原位组装锂离子电池成为解决上述问题的关键。利用单根纳米线或纳米管在透射电镜中进行锂离子电池的原位组装，不仅可解决嵌锂和脱锂过程中微观结构演变及锂离子的传输行为等问题，而且为纳米原电池的组装提供了一种新工艺，为锂离子电池性能的提高提供可靠的理论指导。·发明内容:本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种简便而又实用的方法实现利用单根纳米线或纳米管原位组装锂离子电池，用以解决充放电过程中嵌锂和脱锂工作机制及锂离子的传输行为等问题，借助与现有的电镜设备，通过构建锂离子原电池结构达到测量单根纳米线性能的效果，以适用于新能源和可再生清洁能源的开发和利用。为了实现上述目的，本发明先采用热氧化方法制备金属基金属氧化物纳米线或纳米管，然后以金属Li或LiCoO2为阴极，以在Li颗粒上形成的氧化物(Li2O)层作为固态电解质或以亚胺类的离子液体作为电解质，以单根金属氧化物纳米线或纳米管为阳极，在选用的常规的透射电镜内组装成锂离子电池结构，其具体步骤包括:(I)选用常规的透射电镜设备，先将金属Li或LiCoO2颗粒分别粘附在透射电镜原位样品台的AFM探针头上，构成锂离子电池的阴极；
(2)再以在金属Li颗粒上形成的氧化物(Li2O)层作为锂离子电池的固态电解质或以在LiCoO2颗粒上形成的亚胺类的离子液体作为锂离子电池的液态电解质；(3)然后在透射电镜原位样品台的金探针上滴加分散有金属氧化物纳米线或纳米管的液体，使金属氧化物纳米线或纳米管粘附在金探针的尖端上作为锂离子电池阳极，其金属氧化物包括氧化铁、氧化铜和氧化锌；(4)再在所选用的高分辨透射电镜原位样品台上，采用压电陶瓷驱动操纵单根金属氧化物纳米线或纳米管接触到液态或固态电解质，实现原位组装成锂离子电池结构；当对锂离子电池结构进行充电时，锂离子电池结构的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解质运动到负极，到达负极的锂离子嵌入到金属氧化物纳米线或纳米管中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高；当对锂离子电池结构进行放电时，嵌在金属氧化物纳米线或纳米管中的锂离子脱出，又运动回正极，回正极的锂离子越多，放电容量越高；其原位组装的锂离子电池结构具有电池的效果。本发明与现有技术相比，其设计思路新颖，制备原理简单，制备成本低，生产环境友好，填补了国内市场空白，同时满足了实验需要，具有广泛的实用性。
:图1为本发明实现原位组装液态电解质锂离子电池结构的原理示意图，在所选用的常规高分辨透射电镜基础上组装，其中包括纳米线或纳米管I，LiCoO2颗粒2，亚胺类离子液体3，AFM探针头4，金探针5传感器6，铜杆7和恒电位仪8。图2为本发明实现原位组装固态电解质锂离子电池结构的原理示意图，在所选用的常规高分辨透射电镜基础上组装，其中包括纳米线或纳米管1，金属Li2，Li2O层3，AFM探针头4，金探针5，传感器6，铜杆7和恒电位仪8。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。实施例1:液态电解质锂离子电池的原位组装本实施例选用瑞典Nanofactory公司生产的高分辨透射电镜，并在其原位样品台上进行锂离子电池的构建，其具体工艺步骤为:(1)先将LiCoO2颗粒2粘附在原位样品台的AFM探针头4上,作为阴极；(2)再在LiCoO2颗粒2的表面滴加亚胺类的离子液体3，作为液态电解质，然后将原位样品台插入透射电镜中；(3)在原位样品台的金探针5上滴加分散有金属氧化物纳米线I的液体，使金属氧化物纳米线粘附在金探针5的尖端上，作为阳极，其选用的金属氧化物包括氧化铁、氧化铜和氧化锌；(4)在高分辨透射电镜内部，利用原位样品台，采用压电陶瓷驱动操纵单根金属氧化物纳米线I接触到液态电解质3，进而原位组装成液态电解质锂离子电池结构，如图1所示。
实施例2:固态电解质锂离子电池的原位组装本实施例选用瑞典Nanofactory公司生产的高分辨透射电镜,并在其原位样品台上进行锂离子电池的构建，其具体工艺步骤包括:(I)先将金属Li2粘附在常规的原位样品台的AFM探针头4上作为阴极；(2)再将原位样品台插入透射电镜，由于金属Li2易被氧化，插入透射电镜过程中，在Li2颗粒表面会形成氧化物(Li2O)层3作为固态电解质；(3)在原位样品台的金探针5上滴加分散有金属氧化物纳米线I的液体，使金属氧化物纳米线粘附在金探针5的尖端上，作为阳极，其选用的金属氧化物包括氧化铁、氧化铜和氧化锌；(4)在高分辨透射电镜内部，利用原位样品台，采用压电陶瓷驱动操纵单根金属氧化物纳米线I接触到固态电解质3，进而原位组装成固态电解质锂离子电池结构，如图2所示。实施例3:本实施例分别重复实施例1和2的步骤，分别将金属氧化物纳米线更换为金属氧化物纳米管，可分别制备成以以单根金属氧化物纳米管为负极的锂离子电池结构。本实施例通过利用单根金属氧化物纳米线或纳米管原位组装锂离子电池结构，实现本发明的目的，同时完成对单根金属氧化物纳米线或纳米管的性能测定，由于单根纳米线或纳米管的尺寸特性，目前仅有本实施例能实现对其性能测定。
权利要求
1.一种锂离子电池的原位组装方法，其特征在于:具体步骤包括: (1)选用常规的透射电镜设备，先将金属Li或LiCoO2颗粒分别粘附在透射电镜原位样品台的AFM探针头上，构成锂离子电池的阴极； (2)再以在金属Li颗粒上形成的氧化物(Li2O)层作为锂离子电池的固态电解质或以在LiCoO2颗粒上形成的亚胺类的离子液体作为锂离子电池的液态电解质； (3)然后在透射电镜原位样品台的金探针上滴加分散有金属氧化物纳米线或纳米管的液体，使金属氧化物纳米线或纳米管粘附在金探针的尖端上作为锂离子电池阳极，其金属氧化物包括氧化铁、氧化铜和氧化锌； (4)再在所选用的高分辨透射电镜原位样品台上，采用压电陶瓷驱动操纵单根金属氧化物纳米线或纳米管接触到液态或固态电解质，实现原位组装成锂离子电池结构；当对锂离子电池结构进行充电时，锂离子电池结构的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解质运动到负极，到达负极的锂离子嵌入到金属氧化物纳米线或纳米管中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高；当对锂离子电池结构进行放电时，嵌在金属氧化物纳米线或纳米管中的锂离子脱出，又运动回正极，回正极的锂离子越多，放电容量越高；其原位组装的锂离子电池结构具有 电池的效果。
全文摘要
本发明属于锂离子电池制备技术领域，涉及一种利用单根纳米线或纳米管原位组装锂离子电池的工艺方法；选用透射电镜设备，先将金属Li或LiCoO2颗粒分别粘附在透射电镜原位样品台的AFM探针头上，构成锂离子电池的阴极，再以在金属颗粒上形成的氧化物层作为锂离子电池电解质，然后在透射电镜原位样品台的金探针上滴加分散有金属氧化物纳米线的液体，使金属氧化物纳米线粘附在金探针的尖端上作为锂离子电池阳极，再采用压电陶瓷驱动操纵单根金属氧化物纳米线接触到液态或固态电解质，实现原位组装成锂离子电池结构；其设计思路新颖，原理简单，制备成本低，生产环境友好，具有广泛的实用性。
文档编号H01M4/131GK103247820SQ20131017835
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月15日 优先权日2013年5月15日
发明者王乙潜, 李春艳, 梁文双, 蔡鎔声 申请人:青岛大学