石墨烯-錫復合材料、其制備方法、鋰離子電池及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種石墨烯-錫復合材料的制備方法和應用。該石墨烯-錫復合材料的制備過程中利用水熱原位還原復合,錫顆粒的尺寸較低,不僅能夠使得錫和石墨烯混合均勻,而且能夠大幅度提高石墨烯-錫的電導率,從而提高石墨烯-錫復合材料應用于鋰離子電池負極材料的循環壽命以及倍率特性。上述石墨烯-錫復合材料的制備過程對設備、工藝要求低,且易操作,原料廉價成本低,容易實現大規模工業化生產。
【專利說明】石墨烯-錫復合材料、其制備方法、鋰離子電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋰離子電池領域,尤其涉及一種石墨烯-錫復合材料、其制備方法、鋰離子電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著各種電子產品的發展及功能的不斷完善,傳統鋰離子電池的性能已越來越不能滿足各種耗電產品的需求。負極材料對于鋰離子電池性能的提高具有重要作用。傳統鋰離子電池的負極材料主要用石墨,而石墨的理論容量最高僅為372mAh/g,大大限制了鋰離子電池的性能,無法滿足人們對高容量電池的需求。錫基合金材料以高比能量(994mAh/g)、高倍率、高安全性等特點,引起了人們的廣泛關注。雖然錫作為負極材料具有高容量的優勢,但它在嵌鋰和脫鋰的過程中體積變化較大,導致電極材料粉末化,活性物質內部喪失電接觸,電極容量迅速衰減,從而縮短鋰離子電池的壽命。為了提高錫材料的循環穩定性,主要方法為:(I)納米合金,利用納米材料的超塑性釋放鋰化過程產生的應力,從而減少粉化,提高鋰化反應的可逆性;(2)金屬間化合物,包括活性金屬與活性或非活性金屬復合,利用不同活性金屬之間的鋰化電位不同而互為基體,或非活性金屬作為基體來緩沖體積膨脹;(3)合金-碳復合材料,利用碳材料的高彈性緩沖合金鋰化時的體積膨脹,提高合金顆粒的電接觸,為鋰離子和電子提供擴散通道。
[0003]石墨烯是一種二維單分子層材料,具有優異的柔性,錫材料與石墨烯進行復合能夠有效降低錫材料在膨脹和收縮過程中對電極材料的破壞,從而提高器件的循環性能。傳統報道的石墨烯-錫復合材料往往是由錫顆粒直接與石墨烯進行高能混合,錫顆粒粒徑較大,而且難以混合均勻,導致石墨烯不能充分發揮其作用。
【發明內容】
[0004]基于此,有必要提供一種能使石墨烯與錫均勻混合的石墨烯-錫復合材料及其制備方法。
[0005]一種石墨烯-錫復合材料的制備方法,包括如下步驟:
[0006]將氧化石墨分散在去離子水中,按照氧化石墨與四氯化錫質量比為10:2?4的比例向所述去離子水中加入四氯化錫,超聲分散,得到混合溶液;
[0007]向所述混合溶液中加入還原劑,在8(T10(TC下進行還原反應,得到石墨烯-錫懸浮液;及
[0008]過濾所述石墨烯-錫懸浮液,對濾渣進行洗滌、干燥后得到所述石墨烯-錫復合材料。
[0009]在其中一個實施例中,所述氧化石墨按照下述步驟制備:
[0010]將石墨加入至98%濃硫酸與65%濃硝酸組成的混合溶液中,并在冰水混合浴的環境下攪拌至形成均勻的混合物;及[0011]向所述混合物中加入高錳酸鉀,攪拌并升溫至85°C后保持溫度30分鐘,保持溫度加入去離子水后靜置30分鐘,再加入體積濃度為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘后,對反應體系進行抽濾處理,得到的濾渣依次使用稀鹽酸及去離子水洗滌多次,烘干后得到氧
化石墨。
[0012]在其中一個實施例中,所述石墨原料的質量、所述98%濃硫酸的體積、所述65%濃硫酸的體積、所述高錳酸鉀的質量及所述過氧化氫的體積比例為Ig:85~95mL:24~25mL:4~6g:6~10mL。
[0013]在其中一個實施例中,所述氧化石墨在所述氧化石墨四氯化錫混合溶液中的濃度為 0.5~lmg/mL0
[0014]在其中一個實施例中,所述還原劑為硼氫化鈉或水合阱。
[0015]一種石墨烯-錫復合材料,其是按照上述石墨烯-錫復合材料的制備方法制備得到的。
[0016]此外,還有必要提供使用上述石墨烯-錫復合材料的鋰離子電池及其制備方法。
[0017]一種鋰離子電池,包括正極,所述正極包括集流體及涂覆在所述集流體上的正極材料,所述正極材料包括導電劑、粘結劑及正極活性材料,其中,正極活性材料為上述石墨烯-錫復合材料。
[0018]一種鋰離子電池的制 備方法,包括如下步驟:
[0019]按照質量比為80-85:5~10:5~10的比例,將上述石墨烯-錫復合材料與粘結劑及導電劑混合均勻,得到正極材料;
[0020]將所述正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理后得到正極片;
[0021]以鋰片作為負極片,將所述鋰片、隔膜、所述正極片組裝成電芯;
[0022]將所述電芯封裝在電池殼體內,并向所述電池殼體內注入電解液,密封后得到鋰離子電池。
[0023]在其中一個實施例中,所述粘結劑為聚偏氟乙烯;所述導電劑為乙炔黑。
[0024]在其中一個實施例中,所述電解液中的電解質為LiPF6、LiBF4, LiN(SO2CF3)2或LiN(SO2F)2,所述電解液中的溶劑為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或乙腈,所述電解質在所述電解液中的濃度為lmol/L。
[0025]上述方法利用水熱原位還原復合,錫顆粒的尺寸較低,因此不僅能夠使得錫和石墨稀混合均勾,而且能夠大幅度提聞石墨稀_錫的電導率,從而提聞石墨稀_錫復合材料應用于鋰離子電池負極材料的循環壽命以及倍率特性。上述石墨烯-錫復合材料的制備過程對設備、工藝要求低,且易操作,原料廉價成本低,容易實現大規模工業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為一實施方式的石墨烯-錫復合材料的制備流程圖;
[0027]圖2為一實施方式的鋰離子電池的制備流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面主要結合附圖及具體實施例對石墨烯-錫復合材料及其制備方法和應用作進一步詳細的說明。[0029]如圖1所示,本實施方式的石墨烯-錫復合材料的制備方法,包括如下步驟:
[0030]步驟S110,將氧化石墨分散在去離子水中,按照氧化石墨與四氯化錫質量比為10:2~4的比例向所述去離子水中加入四氯化錫,超聲分散,得到混合溶液。
[0031]其中,氧化石墨可以采用如下方法制備: [0032]將石墨加入至98%濃硫酸與65%濃硝酸組成的混合溶液中,并在冰水混合浴的環境下攪拌至形成均勻的混合物,其中,石墨優選純度不低于99.5%的天然鱗片石墨;向混合物中加入高錳酸鉀,攪拌并升溫至85°C后保持溫度30分鐘,保持溫度加入去離子水后靜置30分鐘,再加入體積濃度為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘后,對反應體系進行抽濾處理,得到的濾渣依次使用稀鹽酸及去離子水洗滌多次,烘干后得到氧化石墨。
[0033]在本實施方式中,石墨原料的質量、98%濃硫酸的體積、65%濃硫酸的體積、高錳酸鉀的質量及過氧化氫的體積優選按照如下比例Ig: 85、5mL: 24^25mL: 4^6g: 6~10mL添加。
[0034]氧化石墨在混合溶液中的濃度為0.5~lmg/mL。四氯化錫在混合溶液中的濃度為
0.1-0.3mg/mL。
[0035]超聲功率可以為50(T800W,超聲時間為2~3小時。對混合溶液超聲分散處理后,氧化石墨被剝離成氧化石墨烯,且超聲分散可以使氧化石墨與四氯化錫混合均勻。
[0036]步驟S120,向混合溶液中加入還原劑,在8(TlO(TC下進行還原反應,得到石墨烯-錫懸浮液。
[0037]還原劑可以為水合阱或硼氫化鈉。
[0038]步驟S130,過濾石墨烯-錫懸浮液,對濾渣進行洗滌、干燥后得到石墨烯-錫復合材料,其中,中間橫線表示石墨烯與錫的復合。
[0039]本實施方式制得的石墨烯-錫復合材料中,錫金屬顆粒嵌入石墨烯片層結構中或者分布在石墨烯的片層之間,從而,石墨烯片穿插在錫金屬顆粒之間,一方面抑制體積膨脹,防止金屬分化后的二次團聚,另一方面增加活性物質與電解液的接觸,提高導電性,即使在反復的充放電使用之后,仍然保持活性物質與集流體之間良好的接觸,此外,不同于傳統的對錫負極的改性方法,石墨烯片能夠提供額外的容量,減小了使用惰性材料對錫負極改性時造成容量損失,充分發揮出兩種材料的協同效應。
[0040]此外,本實施方式還提供了一種鋰離子電池及其制備方法。該鋰離子電池的正極包括集流體及涂覆在集流體上的正極材料,其中,正極材料包括導電劑、粘結劑及上述石墨烯-錫復合材料。石墨烯-錫復合材料作為鋰離子電池的正極活性材料,能夠有效抑制錫顆粒在充放電過程中的體積變化,整個鋰離子電池的穩定性增強,且使用壽命增長。
[0041]如圖2所示,該鋰離子電池的制備方法包括如下步驟:
[0042]步驟S210,按照上述石墨烯-錫復合材料的制備方法制備石墨烯-錫復合材料。
[0043]步驟S220,按照質量比為80-85:5~10:5~10的比例,將石墨烯硅石墨烯復合材料、粘結劑及導電劑混合均勻,得到正極材料。
[0044]其中,粘結劑可以為聚偏氟乙烯。導電劑可以為乙炔黑或碳納米管等。
[0045]步驟S230,將正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理后得到正極片。
[0046]步驟S240,以鋰片作為負極片,將鋰片、隔膜、正極片組裝成電芯。
[0047]步驟S250,將電芯封裝在電池殼體內,并向電池殼體內注入電解液,密封后得到鋰離子電池。[0048]電解液中的電解質可以為LiPF6、LiBF4、LiTFSI(LiN(SO2CF3)2)或LiFSI(LiN(SO2F)2)等;電解液中的溶劑為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或乙腈等。電解質在電解液中的濃度為lmol/L。
[0049]上述方法利用水熱原位還原復合,錫顆粒的尺寸較低,因此不僅能夠使得錫和石墨稀混合均勾,而且能夠大幅度提聞石墨稀_錫的電導率,從而提聞石墨稀_錫復合材料應用于鋰離子電池負極材料的循環壽命以及倍率特性。上述石墨烯-錫復合材料的制備過程對設備、工藝要求低,且易操作,原料廉價成本低,容易實現大規模工業化生產。
[0050]以下為具體實施例部分:
[0051]實施例1
[0052]本實施例的氧化石墨經剝離以及與四氯化錫混合,再經還原制備石墨烯-錫復合材料的工藝流程如下:
[0053]石墨一氧化石墨一石墨烯-錫復合材料
[0054]石墨:純度99.5%的天然鱗片石墨。
[0055]氧化石墨:稱取Ig石墨加入至由90mL質量分數為98%的濃硫酸和25mL質量分數為65%的濃硝酸組成的混合溶液中,得到混合物;將混合物置于冰水混合浴環境下進行攪拌20分鐘,再緩慢地往混合物中加入6g高錳酸鉀,攪拌I小時,接著將混合物加熱至85° C并保持30分鐘,加入92mL去離子水繼續在85° C下保持30分鐘,最后加入IOmL質量分數為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘,對混合物進行抽濾,依次使用IOOmL稀鹽酸和150mL去離子水對固體物質進行洗滌,共洗滌三次,最后固體物質在60° C真空烘箱中干燥12小時得到氧化石墨。
[0056]石墨烯-錫復合材料:取上述制備得到的氧化石墨分散在去離子水中,氧化石墨的濃度為0.5mg/mL,并加入四氯化錫,四氯化錫的濃度為0.lmg/mL,得到混合溶液,以500W功率對混合溶液超聲2小時;再向混合溶液中加入硼氫化納,硼氫化納濃度為0.2mg/mL,攪拌并升溫至80° C,反應24小時,過濾,用去離子水反復洗滌至中性,將固體產物置于60° C烘箱中干燥12小時,得到石墨烯-錫復合物。
[0057]實施例2
[0058]本實施例的氧化石墨經剝離以及與四氯化錫混合,再經還原制備石墨烯-錫復合材料的工藝流程如下:
[0059]石墨一氧化石墨一石墨烯-錫復合材料
[0060]石墨:純度99.5%的天然鱗片石墨。
[0061]氧化石墨:稱取2g石墨加入至由190mL質量分數為98%的濃硫酸和48mL質量分數為65%的濃硝酸組成的混合溶液中,得到混合物;將混合物置于冰水混合浴環境下進行攪拌20分鐘,再緩慢地往混合物中加入8g高錳酸鉀,攪拌I小時,接著將混合物加熱至85° C并保持30分鐘,加入180mL去離子水繼續在85° C下保持30分鐘,最后加入12mL質量分數為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘,對混合物進行抽濾,依次使用200mL稀鹽酸和300mL去離子水對固體物質進行洗滌,共洗滌三次,最后固體物質在60 ° C真空烘箱中干燥12小時得到氧化石墨。
[0062]石墨烯-錫復合材料:取上述制備得到的氧化石墨分散在去離子水中,氧化石墨的濃度為0.8mg/mL,并加入四氯化錫,四氯化錫的濃度為0.2mg/mL,得到混合溶液,以800W功率對混合溶液超聲2小時;再向混合溶液中加入硼氫化納,硼氫化納濃度為0.4mg/mL,攪拌并升溫至90° C,反應36小時,過濾,用去離子水反復洗滌至中性,將固體產物置于60° C烘箱中干燥12小時,得到石墨烯-錫復合物。
[0063]實施例3
[0064]本實施例的氧化石墨經剝離以及與四氯化錫混合,再經還原制備石墨烯-錫復合材料的工藝流程如下:
[0065]石墨一氧化石墨一石墨烯-錫復合材料
[0066]石墨:純度99.5%的天然鱗片石墨。
[0067]氧化石墨:稱取5g石墨加入至由420mL質量分數為98%的濃硫酸和120mL質量分數為65%的濃硝酸組成的混合溶液中,得到混合物;將混合物置于冰水混合浴環境下進行攪拌20分鐘,再緩慢地往混合物中加入20g高錳酸鉀,攪拌I小時,接著將混合物加熱至85° C并保持30分鐘,加入460mL去離子水繼續在85° C下保持30分鐘,最后加入40mL質量分數為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘,對混合物進行抽濾,依次使用300mL稀鹽酸和500mL去離子水對固體物質進行洗滌,共洗滌三次,最后固體物質在60 ° C真空烘箱中干燥12小時得到氧化石墨。
[0068]石墨烯-錫復合材料:取上述制備得到的氧化石墨分散在去離子水中,氧化石墨的濃度為0.5mg/mL,并加入四氯化錫,四氯化錫的濃度為0.2mg/mL,得到混合溶液,以500W功率對混合溶液超聲3小時;再向混合溶液中加入硼氫化納,硼氫化納濃度為0.5mg/mL,攪拌并升溫至100° C,反應24小時,過濾,用去離子水反復洗滌至中性,將固體產物置于60° C烘箱中干燥12小時,得到石墨烯-錫復合物。
[0069]實施例4
[0070]本實施例的氧化石墨經剝離以及與四氯化錫混合,再經還原制備石墨烯-錫復合材料的工藝流程如下:
[0071 ] 石墨一氧化石墨一石墨烯-錫復合材料
[0072]石墨:純度99.5%的天然鱗片石墨。
[0073]氧化石墨:稱取Ig石墨加入至由90mL質量分數為98%的濃硫酸和25mL質量分數為65%的濃硝酸組成的混合溶液中,得到混合物;將混合物置于冰水混合浴環境下進行攪拌20分鐘,再緩慢地往混合物中加入4g高錳酸鉀,攪拌I小時,接著將混合物加熱至85° C并保持30分鐘,加入95mL去離子水繼續在85° C下保持30分鐘,最后加入9mL質量分數為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘,對混合物進行抽濾,依次使用IOOmL稀鹽酸和150mL去離子水對固體物質進行洗滌,共洗滌三次,最后固體物質在60° C真空烘箱中干燥12小時得到氧化石墨。
[0074]石墨烯-錫復合材料:取上述制備得到的氧化石墨分散在去離子水中,氧化石墨的濃度為lmg/mL,并加入四氯化錫,四氯化錫的濃度為0.2mg/mL,得到混合溶液,以500W功率對混合溶液超聲2小時;再向混合溶液中加入硼氫化納,硼氫化納濃度為0.5mg/mL,攪拌并升溫至100° C,反應24小時,過濾,用去離子水反復洗滌至中性,將固體產物置于60° C烘箱中干燥12小時,得到石墨烯-錫復合物。
[0075]實施例5
[0076]1.按照85:5:10的質量比,分別稱取8.5g的實施例1中制備的石墨烯-錫復合材料,0.5g的聚偏氟乙烯以及1.0g的乙炔黑,混合均勻后得到正極材料;
[0077]2.將正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理,得到正極片。
[0078]3.以鋰片作為負極片,將鋰片、隔膜以及上步中制得的正極片按照順序疊片組裝成電芯。
[0079]4.將制得的電芯封裝在電池殼體內,再通過電池殼體上的注液口往電池殼體里注入電解質濃度為lmol/L的LiPF6/碳酸二甲酯電解液(表示電解質是LiPF6、溶劑是碳酸二甲酯的電解液),密封注液口,得到鋰離子電池。
[0080]實施例6
[0081]1.按照80:10:10的質量比,分別稱取8.0g的實施例1中制備的石墨烯-錫復合材料,1.0g的聚偏氟乙烯以及1.0g的乙炔黑,混合均勻后得到正極材料;
[0082]2.將正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理,得到正極片。
[0083]3.以鋰片作為負極片,將鋰片、隔膜以及上步中制得的正極片按照順序疊片組裝成電芯。
[0084]4.將制得的電芯封裝在電池殼體內,再通過電池殼體上的注液口往電池殼體里注入電解質濃度為lmol/L的LiBF4/碳酸二乙酯電解液(表示電解質是LiBF4、溶劑是碳酸二乙酯的電解液),密封注液口,得到鋰離子電池。
[0085]實施例7
[0086]1.按照85:10:5的質量比,分別稱取8.5g的實施例1中制備的石墨烯-錫復合材料,Ig的聚偏氟乙烯以及5g的乙炔黑,混合均勻后得到正極材料;
[0087]2.將正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理,得到正極片。
[0088]3.以鋰片作為負極片,將鋰片、隔膜以及上步中制得的正極片按照順序疊片組裝成電芯。
[0089]4.將制得的電芯封裝在電池殼體內,再通過電池殼體上的注液口往電池殼體里注入電解質濃度為lmol/L的LiTFSI/碳酸丙烯酯電解液(表示電解質是LiTFS1、溶劑是碳酸丙烯酯的電解液),密封注液口,得到鋰離子電池。
[0090]實施例8
[0091]1.按照83:8:9的質量比,分別稱取8.3g的實施例1中制備的石墨烯-錫復合材料,0.Sg的聚偏氟乙烯以及0.9g的乙炔黑,混合均勻后得到正極材料;
[0092]2.將正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理,得到正極片。
[0093]3.以鋰片作為負極片,將鋰片、隔膜以及上步中制得的正極片按照順序疊片組裝成電芯。
[0094]4.將制得的電芯封裝在電池殼體內,再通過電池殼體上的注液口往電池殼體里注入電解質濃度為lmol/L的LiFSI/碳酸乙烯酯/乙腈電解液(表示電解質是LiFS1、溶劑是碳酸乙烯酯與乙腈的混合溶劑形成的電解液),密封注液口,得到鋰離子電池。
[0095]表I為實施例51在0.1C電流下進行充放電測試第2圈和第301圈所獲得的儲能容量。
[0096]表I
【權利要求】
1.一種石墨烯-錫復合材料的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 將氧化石墨分散在去離子水中,按照氧化石墨與四氯化錫質量比為10:2~4的比例向所述去離子水中加入四氯化錫,超聲分散,得到混合溶液; 向所述混合溶液中加入還原劑,在8(noo°c下進行還原反應,得到石墨烯-錫懸浮液;及 過濾所述石墨烯-錫懸浮液,對濾渣進行洗滌、干燥后得到所述石墨烯-錫復合材料。
2.如權利要求1所述的石墨烯-錫復合材料的制備方法,其特征在于,所述氧化石墨按照下述步驟制備: 將石墨加入至98%濃硫酸與65%濃硝酸組成的混合溶液中,并在冰水混合浴的環境下攪拌至形成均勻的混合物;及 向所述混合物中加入高錳酸鉀,攪拌并升溫至85°C后保持溫度30分鐘,保持溫度加入去離子水后靜置30分鐘,再加入體積濃度為30%的過氧化氫溶液,攪拌10分鐘后,對反應體系進行抽濾處理,得到的濾渣依次使用稀鹽酸及去離子水洗滌多次,烘干后得到氧化石墨。
3.如權利要求2所述的石墨烯-錫復合材料的制備方法,其特征在于,所述石墨原料的質量、所述98%濃硫酸的體積、所述65%濃硫酸的體積、所述高錳酸鉀的質量及所述過氧化氫!的體積比例為Ig: 85~95mL: 24~25mL: 4~6g: 6~10mL。
4.如權利要求1所述的石墨烯-錫復合材料的制備方法,其特征在于,所述氧化石墨在所述氧化石墨四氯化錫混合溶液中的濃度為0.5"lmg/mL。
5.如權利要求1所述的石墨烯-錫復合材料的制備方法,其特征在于,所述還原劑為硼氫化鈉或水合阱。
6.一種石墨烯-錫復合材料,其特征在于,所述復合材料是按照如權利要求1-6中任一項所述的石墨烯-錫復合材料的制備方法制備得到的。
7.—種鋰離子電池,包括正極,所述正極包括集流體及涂覆在所述集流體上的正極材料,所述正極材料包括導電劑、粘結劑及正極活性材料,其特征在于,正極活性材料為權利要求7所述的石墨烯-錫復合材料。
8.—種鋰離子電池的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 按照質量比為80-85:5~10:5~10的比例,將如權利要求7中所述的石墨烯-錫復合材料與粘結劑及導電劑混合均勻,得到正極材料; 將所述正極材料涂覆在銅箔上,經干燥、切片處理后得到正極片; 以鋰片作為負極片,將所述鋰片、隔膜、所述正極片組裝成電芯; 將所述電芯封裝在電池殼體內,并向所述電池殼體內注入電解液,密封后得到鋰離子電池。
9.如權利要求8所述的鋰離子電池的制備方法,其特征在于,所述粘結劑為聚偏氟乙烯;所述導電劑為乙炔黑。
10.如權利要求8所述的鋰離子電池的制備方法,其特征在于,所述電解液中的電解質為LiPF6、LiBF4, LiN(SO2CF3)2或LiN(SO2F)2,所述電解液中的溶劑為碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或乙腈,所述電解質在所述電解液中的濃度為lmol/L。
【文檔編號】H01M10/058GK103579627SQ201210259658
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月25日 優先權日:2012年7月25日
【發明者】周明杰, 鐘輝, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司