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CN1061472C - 锂二次电池碳负极材料及其制备方法 - Google Patents

锂二次电池碳负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明电池碳负极材料及其制备方法涉及一种锂二次电池碳负极材料,该负极材料包括无定形碳材料、导电碳黑和粘合剂,所述的无定形碳材料的IS轨电子结合能由三部分组成,分别为288.4-287.4eV,286.8-285.8eV和285.4-284.0eV,本发明的电池碳负极材料的制造方法是将线性或交联聚合物进行裂解或热处理所得的碳与导电碳黑和粘合剂混合制成,本发明所得的锂二次电池的碳负极材料,其裂解温度较传统的温度要低,且可逆储锂容量高。

Description

锂二次电池碳负极材料及其制备方法
本发明涉及到一种由包括活性材料的电极,特别涉及到一种锂二次电池碳负极材料及其制备方法。
目前研究的锂二次电池的碳负极材料比较多,有人造石墨、天然石墨、化学气相沉积炭、石油焦、乙炔黑等(可参见《化学通报》1994年第10期第1页),但是它们作为锂二次电池电极材料,其可逆储锂容量比较低,均未超过经典的石墨插入化合物LiC6的理论可逆储锂容量372mAh/g。而且其热处理温度很高,大多数高于2000℃,这在工艺上是比较困难的,特别是产业化。
电化学会志(J.Electrochem.Soc.)1994年141卷第4期900页发表的一篇文章报道了含氮元素的锂二次电池的碳负极材料。该碳材料为无定形的。从X-射线吸收光谱来看,碳原子X-射线吸收光谱由两部分组成:285eV及高于295eV的部分,前者实际上为碳原子ls轨道上的电子结合能;同时其氮原子的X-射线吸收光谱也由两部分组成:395eV及405eV,前者实际上为氮原子ls轨道上的电子结合能。其所得的锂二次电池碳负极材料一方面导致碳负极材料的不可逆容量的升高,另一方面使锂的插入电位降低,这样使得锂在插入时容易形成枝晶,从而会造成电池短路,因而认为含氮的碳材料不适宜作为锂二次电池的碳负极材料。
本发明的目的是克服了已有技术中热处理温度高(2000℃以上)且其可逆储锂容量低的缺点,得到了可逆储锂容量高的锂二次电池碳负极材料。
本发明的另一目的为在锂二次电池的碳负极材料中引入氮原子,使所得的含氮的锂二次电池碳负极材料不仅不会导致不可逆容量的升高及插入电位的降低,反而会导致可逆储锂容量的升高。
本发明所得的锂二次电池的碳负极材料包括无定形碳材料,导电碳黑,粘合剂,其组成和含量如下:(重量份)
无定形碳材料       100份
导电碳黑           0-10份
粘合剂             0.5-8份
该无定形碳材料的层间距用X-粉末衍射法测量,测得的层间距d002位于3.34A0-3.75A0;其N/C原子比、H/C原子比和O/C原子比用CHN-快速分析方法,所测得的N/C原子比范围为0.0-0.9,优选范围为0.0-0.4;H/C原子比范围为0-0.5,优选范围为0.1-0.3;O/C原子比范围为0-0.3。所得的无定形碳材料碳原子的Is轨道电子结合能用XPS分析方法测量,测得的无定形碳材料碳原子的Is轨道电子结合能谱由三部分组成,即位于288.4eV-287.4eV范围、286.8eV-285.8eV范围和285.4eV-284.0eV范围;所得无定形碳材料含氮元素时,该无定形碳材料的氮原子的ls轨道的电子结合能谱由两部分组成,即位于401.3eV-400.3eV范围和399.0eV-398.0eV范围;所得无定形碳材料含氧元素时,该无定形碳材料的氧原子的ls轨道的电子结合能谱由两部分即位于534.5eV-533.5eV范围和532.5eV-531.5eV范围。
本发明的锂二次电池的碳负极材料包括聚合物的裂解方法,该材料的制备方法按下述顺序步骤进行:
1、无定性碳材料的制备:将线性的或交联的高分子置于一可通气的炉子中,在一定的气氛或在真空下于低温范围400-1500℃下进行裂解或热处理,在裂解或热处理的最高度的停留时间为1分钟-24小时,得到高分子裂解的无定形碳材料。将上述所得的高分子裂解的无定形碳材料粉碎为粒径大小20μm-2μm的颗粒。
2、碳负极材料的制备:将上述所得的粉碎后的无定形碳材料与0-10%的导电碳黑、0.5-8%的粘合剂如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯丙烯、聚偏氟乙烯等,均匀混合,在集电极上挤压成片;当然也可以在适当的溶剂中成悬浮液,然后在集电极上涂抹、干燥成片。所得的片材在真空中于100-250℃干燥。这样干燥后所得的片材就可以作为锂二次电池的碳负极材料,可以在无水无氧的氩气箱或无水的环境中与锂离子电池的正极组装成锂离子电池,也可以与双离子电池的正极组装成双离子电池。
上述方法中所述的线性高分子可以是聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、线性酚醛树脂、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、聚酰胺、聚吡啶、聚吡咯、聚乙烯吡啶、聚苯胺等;上述方法中所述的交联高分子可以是交联的酚醛树脂、用二乙烯苯交联的聚苯乙烯、苯胺胺醛树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、聚酰亚胺、用二乙烯苯交联的聚丙烯腈等。
上述方法所述的气氛可以为惰性气氛,如氮气、氩气等;也可以先为氧化性气氛,后为如上说的惰性气氛。
上述方法的低温温度范围优选为500-1000℃。在裂解的最高温度停留时间优选为0.1-10小时,更优选为0.5-5小时。
按本发明所得的锂二次电池的碳负极材料,其较传统的方法如化学气相沉淀法在同样的条件所制备的碳负极材料的可逆储锂容量要高;同时在引入了氮原子以后,所得含氮碳负极材料的可逆储锂容量不仅较没有引入氮原子的碳负极材料的可逆储锂容量要高,而且突破了经典的石墨材料的最高可逆储锂容量372mAh/g,可高达536mAh/g以上。
因此本发明所得的锂二次电池的碳负极材料,由于其裂解温度较前述的传统的方法温度要低,因此容易产业化生产。
以下为本发明为了便于理解起见而给出部分具体的实施例。这些实施例的给出决不是限制本发明。
实施例1、
将线性的高分子聚苯乙烯,置于一热解炉中,先通Ar气,使其成惰性气氛,然后升温至600℃,在600℃裂解1个小时,然后冷却到室温。分析所得聚合物裂解碳的元素含量,见表1。XPS数据及层间距d002分见表2和表3。
研碎所得聚合物裂解碳,过10μm的筛。将过筛了的聚合物裂解碳与5%导电碳黑、3%的聚四氟乙烯混合均匀,在集电极上挤压成片。真空干燥以后,就可用于锂二次电池的碳负极材料。
所得的碳负极材料的可逆储锂容量的测试方法如下:
在无水无氧的氩气箱中将上述所得的碳负极材料与金属锂片组装成电池,该电池的隔膜为多孔聚丙烯、电解液为体积比7∶3的EC与DEC混合物中每升溶有1摩尔LiClO4溶液,所组成的电池在2.0V--0.03V的范围内充放电,充放电的电流恒定为20mA/g。其所测得的可逆储锂容量例于表4中。
实施例2、
将聚-4-乙烯吡啶用同实施例1相同的方法及操作进行裂解,所得聚合物碳的元素含量、XPS分析所得的结果及层间距d002分见表1、表2和表3。其可逆储锂容量的测试如实施例1所述,所测得的可逆储容量见4。
实施例3、
用上述实施例1所述的方法,将聚丙烯腈进行裂解,所得聚合物碳的元素含量、XPS分析所得的结果及层间距d002分见表1、表2和表3。其可逆储锂容量的测试如实施例1所述,所测得的可逆储锂容量见4。
实施例4、
用上述实施例1所述的方法,将嘧胺树脂进行裂解,所得聚合物碳的元素含量、XPS分析的结果及层间距d002分见表1、表2和表3。并按照同样的操作组装成锂离子二次电池。其可逆储锂容量的测试如实施例1所述,所测得的可逆储锂容量见4。
实施例5、
用上述实施例1相同的方法,将嘧胺树脂在不同于实施例1的温度即800℃进行热处理,别的条件及操作同实施例1。所得的聚合物裂解碳的元素含量、XPS分析的结果及层间距d002分见表1、表2和表3。其可逆储锂容量的测试如实施例1所述,所测得的可逆储锂容量见4。对比例、
用化学气相沉积法在600℃裂解苯气体,裂解催化剂为Ni和Fe合金。所得化学气相沉积碳的元素含量、XPS分析的结果及层间距d002分见表1、表2和表3。其可逆储锂容量的测试如实施例1所述,所测得的可逆储锂容量见4。
表1所得碳材料的N/C、H/C和O/C的原子比
例名 N/C原子比 H/C原子比 O/C原子比
实施例1  0.00429  0.0209
实施例2     0.0804  0.0439  0.0251
实施例3     0.178  0.351  0.0712
实施例4     0.217  0.241  0.240
实施例5     0.0673  <0.04  0.0540
对比例  <0.04
表2所得碳材料的电子结合能位置
    例名 Cls结合能(eV) Nls结合能(eV) Ols结合能(eV)
实施例1 288.3(6.68),286.7(17.18),285.3(76.14) 533.8(70.0)532.1(30.0)
实施例2 287.4(10.45),285.8(17.0),284.5(72.55) 400.5(52.7),398.3(47.3) 534.2(24.0),532.1(76.0)
实施例3 287.6(9.25),286.2(15.6),284.5(75.1) 400.1(53.5),398.2(46.5) 533.5(31.1),531.9(68.9)
实施例4 288.1(7.32),286.4(31.3),285.0(61.4) 401.0(48.4),399.8(51.6) 533.9(49.8),532.0(50.2)
实施例5 287.8(9.13),286.3(10.1),285.0(75.3) 401.3(65.8),398.9(34.2) 533.8(49.8),531.8(42.9)
对比例 288.4(3.52),286.6(8.83),285.3(87.6)
注:括号内为相对百分含量。
表3所得碳材料的层间距大小
    例名    d002大小(A0)
    实施例1     3.489
    实施例2     3.550
    实施例3     3.552
    实施例4     3.434
    实施例5     3.476
    对比例     3.477
表4所得碳材料的可逆储锂容量
    例名 可逆储锂容量(mAh/g)
    实施例1     345
    实施例2     382
    实施例3     435
    实施例4     536
    实施例5     400
    对比例     275
从表4中知,据本发明的方法所得的碳材料的可逆插入锂离子的容量较通常的方法如化学气相沉积法制备的碳材料的要高。同时据本发明(实施例1与实施例2、实施例3、实施例4和实施例5的对比)将氮元素引入到碳材料中,使所得的碳材料的结构不同于前述的J.Electrochem.Soc上所报道的,这从碳原子ls轨道的电子结合能及氮原子ls轨道的电子结合能可以完全看出来。因此本发明所得的锂二次电池碳负极材料的可逆储锂容量不仅没有导致不可逆储锂容量的降低,反而使碳材料的储锂可逆容量得到了提高,还突破石墨的经典理论容量372mAh/g。
本发明所得的碳材料可以作为能量密度高的锂离子电池和双离子电池的负极。

Claims (7)

1、锂二次电池碳负极材料,其特征在于所述的碳负极材料包括如下组份和含量(重量份)
无定形碳材料       100份
导电碳黑           0-10份
粘合剂             0.5-8份所述的无定形碳材料层间距d002为3.434-3.552,所述的粘合剂为聚四氟乙烯。
2、根据权利要求1所述的锂二次电池碳负极材料,其特征在于所述的无定形碳材料中N/C原子比为0.06-0.21。
3、根据权利要求1所述的锂二次电池碳负极材料,其特征在于所述的无定形碳材料中H/C原子比为0.004-0.35。
4、根据权利要求1所述的锂二次电池碳负极材料,其特征在于所述的无定形碳材料中O/C原子比为0.02-0.24。
5、根据权利要求1所述的锂二次电池碳负极材料的制造方法,其特征在于按下述顺序步骤进行:
(1)无定形碳材料的制备
将线性的或交联高分子置于一可通气的炉子中,在氮气或氩气气氛或真空下,于低温范围400-1500℃下进行裂解或热处理1分钟-24小时,粉碎成20μm-2μm的颗粒。
(2)碳负电极的制备:将上述所得的粉碎后的无定形碳材料与0-10%的导电碳黑,0.5-8%的粘合剂,均匀混合,在集电极上挤压成片。
6、根据权利要求5所述的锂二次电池碳负极材料的制造方法,其特征在于所述的线性高分子为聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈、聚酰胺、聚吡啶或聚苯胺。
7、根据权利要求5所述的锂二次电池碳负极材料的制造方法,其持征在于所述的交联高分子为酚醛树脂、嘧胺树脂或聚酰亚胺。
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