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CN111509204B - 一种金属锂复合负极的制备方法 - Google Patents

一种金属锂复合负极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属锂复合负极的制备方法，包括以下步骤：A)向熔融后的铟中加入锂和高粘度烷烃混合，得到混合熔体；B)向所述混合熔体中加入被复合物，混合均匀，得到混合物，所述被复合物选自石墨烯、碳纳米管、SP、碳纤维、金属颗粒和金属氧化物中的一种或多种；C)将所述混合物静置，分离高粘度烷烃，冷却、固化，得到复合物；D)将所述复合物制备成金属锂复合负极。本发明通过引入铟等物质来降低锂的表面张力，同时引入高粘度烷烃作为加热介质来促进熔融锂和其他材料的均匀分散，确保在高温稳定介质中进行复合和搅拌，复合均匀程度增加，利用复合物和高粘度烷烃介质的凝固点来实现复合产物的分离与回收。

Description

一种金属锂复合负极的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种金属锂复合负极的制备方法。
背景技术
因为物质复合过程中需要两者较好的融合，但是目前高温液态锂的高比表面张力导致与物质复合困难，两种物质要在高温、高速搅拌中才能复合，在复合比表面积高的碳材料时，出现碳材料飞散的情况，且二者很难复合，一般需要介质来浸润碳材料，但由于锂的密度很低，表面张力大，在搅拌过程极易分布在介质的上层，复合的均匀性还有待改进。
而在锂离子电池中的金属锂负极在实际应用过程中由于材料和组分单一，导致其在电化学沉积过程中，锂沉积行为不稳定的问题，将其与其他导电材料，或具有引导锂沉积稳定性的材料复合很困难。然而金属锂作为较活泼的金属，其化学溶解异常困难，因此目前大多采用物理融化的方式将液态金属锂与其他物质复合。但是在物理融化条件下，其高温引起的金属锂化学活性更高，液态锂表面张力更大，在于其他材料复合过程中，会使得物质融合变得复杂，且由于密度差异，液态锂漂浮在介质上影响分散和复合效果。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种金属锂复合负极的制备方法，本发明提供的方法可以降低锂的表面张力，并且可以促进熔融锂和其他材料的均匀分散，提高与熔融锂的复合效果。
本发明提供了一种金属锂复合负极的制备方法，包括以下步骤：
A)向熔融后的铟中加入锂和高粘度烷烃混合，得到混合熔体；
B)向所述混合熔体中加入被复合物，混合均匀，得到混合物，所述被复合物选自石墨烯、碳纳米管、SP、碳纤维、金属颗粒和金属氧化物中的一种或多种；
C)将所述混合物静置，分离高粘度烷烃，冷却、固化，得到复合物；
D)将所述复合物制备成金属锂复合负极。
优选的，所述高粘度烷烃选自二十一烷基环戊烷。
优选的，所述铟和锂的质量比为(1～9):(10～12)。
优选的，步骤A)中，所述混合的温度为180～260℃。
优选的，步骤C)中，所述静置的温度为80～120℃。
优选的，步骤C)中，固化后还包括洗涤烘干，所述洗涤所用的洗涤液为THF。
优选的，步骤D)为，将所述复合物进行压片和热处理，得到金属锂复合负极。
优选的，所述热处理的温度为220～360℃。
与现有技术相比，本发明提供了一种金属锂复合负极的制备方法，包括以下步骤：A)向熔融后的铟中加入锂和高粘度烷烃混合，得到混合熔体；B)向所述混合熔体中加入被复合物，混合均匀，得到混合物，所述被复合物选自石墨烯、碳纳米管、SP、碳纤维、金属颗粒和金属氧化物中的一种或多种；C)将所述混合物静置，分离高粘度烷烃，冷却、固化，得到复合物；D)将所述复合物制备成金属锂复合负极。本发明通过引入铟等物质来降低锂的表面张力，同时引入高粘度烷烃作为加热介质来促进熔融锂和其他材料的均匀分散，确保在高温稳定介质中进行复合和搅拌，复合均匀程度增加，利用复合物和高粘度烷烃介质的凝固点来实现复合产物的分离与回收。
附图说明
图1为铟与锂熔融后的状态照片；
图2为实施例2制备得到的产物的照片；
图3为液态锂的照片；
图4为对比例1制备得到的产物的照片；
图5为铜在250℃条件下的照片；
图6为液态锂浮在铜粉上的照片；
图7为对比例3制备得到的产物照片。
具体实施方式
本发明提供了一种金属锂复合负极的制备方法，包括以下步骤：
A)向熔融后的铟中加入锂和高粘度烷烃混合，得到混合熔体；
B)向所述混合熔体中加入被复合物，混合均匀，得到混合物，所述被复合物选自石墨烯、碳纳米管、SP、碳纤维、金属颗粒和金属氧化物中的一种或多种；
C)将所述混合物静置，分离高粘度烷烃，冷却、固化，得到复合物；
D)将所述复合物制备成金属锂复合负极。
本发明首先将铟熔融，熔融温度优选为250℃。然后向熔融后的铟中加入锂，对所述锂的加入形式没有特殊限制，可以以锂箔的形式加入，搅拌均匀后，加入高粘度烷烃混合均匀，得到混合熔体。
其中，所述混合的温度为180～260℃。
所述高粘度烷烃在常温下呈固态，和锂的熔点相差很多，有助于锂-石墨烯复合材料的分离，也有助于烷烃的回收利用。所述高粘度烷烃选自二十一烷基环戊烷。
所述铟和锂的质量比为(1～9):(10～12)，优选为(1～9):10。
本发明通过控制铟和锂的质量比，保证了锂与被复合物的复合效果。随着铟的加入比例的提高，一方面会增加负极的质量，影响能量密度的提升，(能量密度计算公式：能量密度＝能量/电池质量，当铟加入过多时，电池质量增加，能量密度降低)另一方面，也会影响复合效果，以7份锂为基准，在铟加入超过7份时，会出现复合反应进行的不完全的现象，局部呈灰白色。
在本发明中，所述高粘度烷烃的作用为载体，对其用量没有特殊限制，只要能够实现锂和铟的熔融即可。
在本发明的一些具体实施方式中，所述铟、锂和高粘度烷烃的质量比为1:10:40、3:10:40、5:10:40、7:10:40或9:10:40。
其中，铟的加入能降低锂-被复合物进行复合的能势，反应温度降低；并且能降低锂熔融状态时的表面张力，降低锂的熔点；铟的熔点低、密度大，还能解决锂金属的分散时漂浮在介质上难以分散的问题。
得到混合熔体后，向所述混合熔体中加入被复合物，混合均匀，得到混合物。
所述被复合物选自石墨烯、碳纳米管、SP、碳纤维、金属颗粒和金属氧化物中的一种或多种，优选为石墨烯、碳纳米管、SP和碳纤维中的一种或多种。所述被复合物的加入量依据复合负极的要求而定。在本发明中，所述被复合物的加入量为6～10质量份(以10质量份锂做基准)。
在本发明中，所述被复合物与混合熔体混合的方式没有特殊限制，可以采用机械混合的方式。本发明对所述转速并没有特殊限制，混合设备能够完全实施的速度即可，为避免液体飞溅，本发明混合搅拌的转速最大为600转/分钟，时间为0.5～2h。
得到混合物后，将所述混合物静置，分离高粘度烷烃，冷却、固化，得到复合物。所述复合物为金属锂、铟和被复合物形成的复合物。
具体的，所述混合物在温度为80～120℃的条件下静置，混合物中的复合物逐渐固化、沉降，与高粘度烷烃分离。
倒出液态高粘度烷烃，冷却到室温固化，用洗涤液洗去复合物上的高粘度烷烃，然后烘干，得到复合物。
在本发明中，所述洗涤液选自THF。THF和锂的反应程度小，且沸点低，易蒸发。所述烘干的温度优选为80～140℃，优选为100～120℃。
最后，将所述复合物制备成金属锂复合负极。
本发明对所述制备方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可。
在本发明中，将所述复合物进行压片和热处理，得到金属锂复合负极。
具体的，将颗粒状产物压制成片，用镍舟盛放，放入手套箱中的马弗炉，340℃热处理后，得到金属锂复合负极。
本发明解决了高温熔融锂由于密度小漂浮在介质上难以分散的问题。本发明解决了通过热熔法融化金属锂并与其他材料复合过程中，金属锂表面张力过大导致的与其他材料复合体系熔浆粘度过高，进而导致的复合进程中熔浆中物质分布不均匀，也使得后续熔浆的冷却和与熔融复合基体的剥离变得困难而无法分离，无法成为电池极片的问题。
本发明通过引入铟等物质来降低锂的表面张力，同时引入高粘度烷烃作为加热介质来促进熔融锂和其他材料的均匀分散，确保在高温稳定介质中进行复合和搅拌，复合均匀程度增加，利用复合物和高粘度烷烃介质的凝固点来实现复合产物的分离与回收。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的负极材料及其制备方法以及锂离子电池进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1、向容器内加入1份铟，加热温度设置为250度，使用搅拌器进行熔融分散，随后加入10份锂，搅拌均匀后加入40份二十一烷基环戊烷。具体形态参见图1，图1为铟与锂熔融后的状态照片。由图1可知，锂与铟结合在一起，液态锂和液态铟结合在一起，这表明液态铟和液态锂能互相浸润，液态铟能改变液态锂的表面张力，使得液态锂从球状不浸润的状态发生改变。
2、锂-铟熔体分散均匀后，缓慢加入1份石墨烯，搅拌1个小时，转速600转/分钟。
3、将加热台温度设置为120度，停止搅拌，金属锂-铟-石墨烯复合物逐渐固化、沉降，与液态二十一烷基环戊烷分离。
4、倒出液态二十一烷基环戊烷，冷却到室温固化，用THF洗去金属锂-铟-石墨烯复合物上的二十一烷基环戊烷。
5、在加热台上120度烘干金属锂复合物，得到金黄色颗粒状的产物。参见图2，图2为实施例2制备得到的产物的照片。
6、将颗粒状产物压制成片，直径14mm，用镍舟盛放，放入手套箱中的马弗炉，340℃热处理后，形成复合负极。
对比例1
1、向容器内加入10份锂，加热温度设置为250度，熔化后的状态参见图3，图3为液态锂的照片，由图3可知，液态锂以球状的方式存在，不和其他物质接触。
然后向熔化后的锂中加入40份二十一烷基环戊烷，液态锂漂浮在高温介质上，开始搅拌，随后加入1份石墨烯，转速600转/分钟。
2、将加热台温度设置为120度，停止搅拌，金属锂-石墨烯复合物逐渐固化、沉降，与液态二十一烷基环戊烷分离。
3、倒出液态二十一烷基环戊烷，冷却到室温固化，用THF洗去金属锂-石墨烯复合物上的二十一烷基环戊烷。
4、在加热台上120度烘干金属锂复合物，得到黑色颗粒状的产物，参见图4，图4为对比例1制备得到的产物的照片，由图4可知，该产物为单独的石墨烯和分离的锂，二者基本不反应，因为二者不浸润和接触。
对比例2(其他密度大的金属加入不能改变锂的分散)
1、向容器内加入1份铜粉，加热温度设置为250度。参见图5，图5为铜在250℃条件下的照片，由图5可知，铜粉的加入并不能改变液态锂的分散，液态锂仍以球状存在，这说明铜的加入并未有改善作用。
随后加入10份锂，使用搅拌器进行分散，参见图6，图6为液态锂浮在铜粉上的照片。搅拌均匀后加入40份二十一烷基环戊烷。液态锂漂浮在高温介质上，开始搅拌，随后加入1份石墨烯，转速600转/分钟。
2、将加热台温度设置为120度，停止搅拌，金属锂-石墨烯复合物逐渐固化、沉降，与液态二十一烷基环戊烷分离。
3、倒出液态二十一烷基环戊烷，冷却到室温固化，用THF洗去金属锂-石墨烯复合物上的二十一烷基环戊烷。
4、在加热台上120度烘干金属锂复合物，得到黑色颗粒状的产物，该产物为石墨烯和铜粉，锂和石墨烯未能结合在一起。
实施例2～5
在实施例1的基础上，改变铟粒的重量，分别使用3份、5份、7份和9份，其他条件不变。
将得到的复合负极制备为锂离子电池，正极为NCM811材料，电解液为SiCO2，隔膜为celgard2000，使用万用表测试电池电压，结果见表1。(对比例1和2中产物由于金属锂和被复合物二者没有复合在一起，所以无法组装成电池进行电池电压测试)
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例3
铟含量 1份 3份 5份 7份 9份 10份
电池电压 3.24V 2.68V 2.68V 2.72V 2.69V 2.66V
对比例3
在实施例1的基础上，改变铟的重量，使用10份，其他条件不变。得到的产物局部呈灰白色，如图7所示。
将得到的复合负极制备为锂离子电池，正极为NCM811材料，电解液为SiCO2，隔膜为celgard2000，使用万用表测试电池电压，结果见表1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种金属锂复合负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)向熔融后的铟中加入锂和高粘度烷烃混合，得到混合熔体，所述高粘度烷烃选自二十一烷基环戊烷；
B)向所述混合熔体中加入被复合物，混合均匀，得到混合物，所述被复合物选自石墨烯、碳纳米管、SP、碳纤维、金属颗粒和金属氧化物中的一种或多种；
C)将所述混合物静置，分离高粘度烷烃，冷却、固化，得到复合物；
D)将所述复合物进行压片和热处理，得到金属锂复合负极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铟和锂的质量比为(1～9):(10～12)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述混合的温度为180～260℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C)中，所述静置的温度为80～120℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C)中，固化后还包括洗涤烘干，所述洗涤所用的洗涤液为THF。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为220～360℃。
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