锂离子电池负极材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池领域，更具体地说，涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。


背景技术：

2.锂离子电池已被广泛应用于笔记本电脑、智能手机等领域。其主要由正极、负极、电解质和隔膜组成，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。其中传统的负极材料是石墨，石墨的理论比容量已不能完全满足动力电池日益增长的高能量密度的要求。因此开发高容量的新型锂离子电池负极材料具有重要的现实意义。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的锂离子电池负极材料，进一步提供一种改进的锂离子电池。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种锂离子电池负极材料，包括载体以及嵌体；所述嵌体镶嵌于所述载体上以形成具有镶嵌互锁结构的复合材料；所述载体包括碳纤维和/或碳纳米管；所述嵌体包括铪以及碳微球。
5.优选地，所述嵌体还包括树脂碳和/或热解碳。
6.优选地，所述碳纳米管的直径为200-400纳米，其长度为1-3微米。
7.优选地，所述碳纤维的直径为5-8微米，其长度为10-15微米。
8.优选地，所述碳微球的粒径为600-900纳米。
9.本发明还构造一种锂离子电池负极材料制备方法，用于制备本发明所述的锂离子电池负极材料，包括以下步骤：
10.s1、将铪-碳树脂、酚醛树脂混合形成混合树脂，并将所述混合树脂溶于第一溶剂中形成第一混合溶液；
11.s2、将碳纤维和/或碳纳米管添加至所述混合溶液中并浸泡设定时间形成涂覆有所述混合树脂的碳纤维，并在第一温度条件下处理形成第一复合体；
12.s3、将所述第一复合材料在第二温度条件下进行处理，并通入第二溶剂得到第二复合体；
13.s4、将碳微球和酚醛微球混合得到混合粉末，并将其溶解于第三溶剂中，搅拌均匀形成第二混合溶液；
14.s5、将所述第二复合体浸泡于所述第二混合溶液中，并在惰性气体包围下在第三温度条件下处理形成具有镶嵌互锁结构的复合材料。
15.优选地，在所述s1步骤中，所述铪-碳树脂、酚醛树脂的质量比为1:5-1:10；
16.所述第一溶剂包括浓度为5g/ml-30g/ml的乙醇溶液。
17.优选地，在所述s2步骤中，所述第一温度条件为1200～1400度。
18.优选地，在所述s3步骤中，所述第一温度条件为1000-1100度；
19.所述第二溶剂为甲醇和乙醇按照体积比3:1-6:1混合形成的混合液。
20.优选地，在所述s4步骤中，所述碳微球和酚醛微球的质量比为1:1-1:3；
21.所述第三溶剂为酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为10-20％的溶液；
22.在所述s5步骤中，所述第三温度条件为800～1000度。
23.实施本发明的锂离子电池负极材料及其制备方法，具有以下有益效果：该锂离子电池负极材料通过引入铪和碳微球作为嵌体镶嵌于由碳纤维和/或碳纳米管形成的载体上并复合形成镶嵌互锁结构的复合材料，进而可提高能量密度和提升导电性。
附图说明
24.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
25.图1是本发明一些实施例中锂离子电池负极材料的sem图；
26.图2是图1所示锂离子电池负极材料的工艺流程图。
具体实施方式
27.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
28.图1示出了本发明锂离子电池负极材料的一些优选实施例。该锂离子电池负极材料可以作为负极活性物质，且无需额外添加导电剂，该锂离子电池负极材料具有能量密度高、导电性好、稳定性强的优点。该锂离子电池负极材料能量密度可高至210w h/kg，比传统锂离子电池的能量密度提升1.45倍。
29.进一步地，在一些实施例中，该锂离子电池负极材料包括载体以及嵌体，该嵌体可镶嵌于该载体上形成复合材料，该复合材料具有镶嵌互锁结构，通过形成镶嵌互锁结构的复合材料可提高锂离子电池负极材料的稳定性。在一些实施例中，该载体可包括碳纤维，当然，可以理解地，在其他一些实施例中，该载体还可包括碳纳米管；或者只包括碳纳米管。在一些实施例中，该嵌体可包括铪、碳微球、树脂碳以及热解碳。当然，可以理解地，在其他一些实施例中，该树脂碳以及热解碳可以省去。在一些实施例中，该锂离子电池负极材料通过引入铪和碳微球，可极大提高锂离子电池负极材料的能量密度和导电性。
30.进一步地，在一些实施例中，该碳纳米管的直径可以为200-400纳米，其长度可以为1-3微米。在一些实施例中，该碳纳米管的直径可以选择为300 纳米，长度可以选择为2微米。
31.进一步地，在一些实施例中，该碳纤维的直径可以为5-8微米，其长度可以为1-3微米；在一些实施例中，可以选择地，该碳纤维的直径可以为6.5微米，其长度可以为2微米。
32.进一步地，在一些实施例中，该碳微球可以为粒径为600-900纳米，可以选择地，在一些实施例中，该碳微球的粒径可以为750纳米。
33.图2示出了本发明锂离子电池负极材料制备方法，该锂离子电池负极材料制备方法可用于制备本发明的锂离子电池负极材料。
34.如图2所示，在一些实施例中，该锂离子电池负极材料可以包括以下步骤：
35.s1、将铪-碳树脂、酚醛树脂混合形成混合树脂，并将混合树脂溶于第一溶剂中形成第一混合溶液。其中，该铪-碳树脂、酚醛树脂的质量比可以为 1:5-1:10；该第一溶剂可以为浓度为5g/ml-30g/ml的乙醇溶液；该第一混合溶液为铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂。
36.具体地，可将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:5-1:10混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为5g/ml-30g/ml的乙醇溶液得到混合树脂的乙醇溶液。
37.s2、将碳纤维和/或碳纳米管添加至混合溶液中并浸泡设定时间形成涂覆有混合树脂的碳纤维，并在第一温度条件下处理形成第一复合体。其中，该设定时间可以为24-48小时；该第一温度条件可以为1200～1400度；该第一复合体为铪-碳纤维-热解碳材料。
38.具体地，可将碳纤维和/或碳纳米管添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡 24-48小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1200～1400度的条件下处理1～3小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
39.s3、将第一复合材料在第二温度条件下进行处理，并通入第二溶剂得到第二复合体。其中，该第二温度条件可以为1000-1100度；第二溶剂可以为甲醇和乙醇按照体积比3:1-6:1混合形成的混合液；该第二复合体可以为铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
40.具体地，可先将甲醇和乙醇按照体积比3:1-6:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪-碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1000-1100度条件下进行处理，同时按照5ml/h-10ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为10-30分钟，从而得到铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
41.s4、将碳微球和酚醛微球混合得到混合粉末，并将其溶解于第三溶剂中，搅拌均匀形成第二混合溶液。其中，该碳微球和酚醛微球的质量比为1:1-1:3；该第三溶剂为酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为10-20％的溶液；该第二混合溶液为含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
42.具体地，将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:1-1:3混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为10-20％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
43.s5、将第二复合体浸泡于第二混合溶液中，并在惰性气体包围下在第三温度条件下处理形成具有镶嵌互锁结构的复合材料。其中，该惰性气体可以为氩气；该第三温度条件可以为800～1000度。
44.具体地，可将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡24-48小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在800～1000度条件下，高温热处理1～4小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
45.以下结合具体实施例对本发明做详细说明。
46.实施例1
47.将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:5混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为 5g/ml的乙醇溶液
得到混合树脂的乙醇溶液。
48.将碳纤维添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡24小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1200 度的条件下处理1小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
49.将甲醇和乙醇按照体积比3:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪
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碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1000度条件下进行处理，同时按照5ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为10分钟，从而得到铪
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碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
50.将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:1混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为10％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
51.将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡24小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在800度条件下，高温热处理1小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
52.实施例2
53.将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:10混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为30g/ml的乙醇溶液得到混合树脂的乙醇溶液。
54.将碳纤维添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡48小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1400 度的条件下处理3小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
55.将甲醇和乙醇按照体积比6:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪
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碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1100度条件下进行处理，同时按照10ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为30分钟，从而得到铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
56.将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:3混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为20％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
57.将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡48小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在1000度条件下，高温热处理4小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
58.实施例3
59.将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:7混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为 10g/ml的乙醇溶液得到混合树脂的乙醇溶液。
60.将碳纤维添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡36小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1300 度的条件下处理2小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
61.将甲醇和乙醇按照体积比4:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪
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碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1050度条件下进行处理，同时按照8ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为20分钟，从而得到铪
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碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
62.将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:2混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为15％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
63.将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡36小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在900度条件下，高温热处理2小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
64.实施例4
65.将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:8混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为 20g/ml的乙醇溶液得到混合树脂的乙醇溶液。
66.将碳纤维添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡38小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1400 度的条件下处理3小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
67.将甲醇和乙醇按照体积比5:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪
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碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1000度条件下进行处理，同时按照8ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为20分钟，从而得到铪
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碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
68.将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:3混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为20％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
69.将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡24小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在800度条件下，高温热处理3小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
70.实施例5
71.将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:9混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为 25g/ml的乙醇溶液得到混合树脂的乙醇溶液。
72.将碳纤维添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡40小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1250 度的条件下处理3小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
73.将甲醇和乙醇按照体积比5:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪
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碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1000度条件下进行处理，同时按照8ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为25分钟，从而得到铪
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碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
74.将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:2混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为20％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
75.将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡40小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在800度条件下，高温热处理4小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
76.实施例6
77.将铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂按照质量比1:6混合得到铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂，再将该铪-碳树脂与酚醛树脂的混合树脂溶解于浓度为 25g/ml的乙醇溶液得到混合树脂的乙醇溶液。
78.将碳纤维添加至混合树脂的乙醇溶液，并浸泡30小时得到涂覆有混合树脂的碳纤维，再将该涂覆有混合树脂的碳纤维置于高温炉中，在温度为1200 度的条件下处理3小时得到铪-碳纤维-热解碳材料。
79.将甲醇和乙醇按照体积比4:1混合形成甲醇和乙醇的混合液，再将该铪
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碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1100度条件下进行处理，同时按照10ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合液，通入时间为25分钟，从而得到铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料。
80.将碳微球和酚醛微球按照质量比为1:3混合，形成碳微球和酚醛微球的混合粉末，将酚醛树脂溶解于乙醇中配置成质量分数为10％的溶液；再将该碳微球和酚醛微球的混合粉末置于该溶液中搅拌均匀得到含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液。
81.将该铪-碳纤维-热解碳-树脂碳材料浸泡于该含有碳微球和酚醛微球和酚醛树脂混合物的乙醇溶液中，并浸泡28小时，然后置于高温炉中，在氩气氛围下，在950度条件下，高温热处理3.5小时，即可得到一种镶嵌互锁结构锂离子电池负极材料。
82.对比例
83.将酚醛树脂溶于浓度为25g/ml的乙醇之中，得到酚醛树脂乙醇溶液，将碳纤维布置于酚醛树脂乙醇溶液中，浸泡30小时，得到涂覆有酚醛树脂的碳纤维；将碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，在温度为1200度的条件下处理3 小时，得到样品碳纤维-热解碳材料；将甲醇和乙醇按照体积比4:1混合，得到混合溶液，将碳纤维-热解碳材料置于高温炉中，按照10ml/h的速率通入甲醇和乙醇的混合溶液，通入时间为25分钟，温度为1100度，得到负极材料。
84.通过试验，该对比例的能量密度为100w h/kg；而本技术的实施例1至6 引入了铪和碳微球，其能量密度明显高于对比例，实施例1至6中能量密度的最高值可达到210w h/kg，其比对比例升高了52.4％。
85.可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。