一种锂离子电池负极材料及其制备方法与流程

本发明属于锂离子电池的技术领域，具体的涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术：

可充放电锂离子电池（libs）一直是领先的实用储能技术，作为一种关键的储能装置，锂离子电池（libs）已广泛应用于便携式消费电子、电动汽车和混合动力汽车。石墨由于其高库仑效率、稳定性和安全性而被普遍用作商业的负极材料。然而它也存在一些缺点，例如理论比容量低（372mahg^-1）。研究人员已经进行了大量努力去寻找和开发用于下一代lib的负极材料代替石墨。通常来说，要求锂离子电池负极材料满足以下要求以实现高倍率性能：（1）li⁺的快速转移和脱出;（2）高导电率（快速电子迁移）;（3）缩短li⁺和电子之间的长度;（4）快速li⁺和电子传输过程中的结构稳定性。因此对于最大化li⁺/电子转移和缩短传输途径的策略非常需要。由于分层孔结构的良好组合，优异的稳定性和大的表面积，分层介孔多孔碳材料已经在各种应用中具有突出的表现，例如催化、吸附、储能和转化。

在过去几十年中，由不可再生资源制造的石油基聚合物材料发展迅速，它们已应用于广泛的领域，如民用、工业和军事设施。聚苯乙烯（ps）是一种由苯乙烯（sm）合成的树脂，属于五种通用热塑性合成树脂之一。聚苯乙烯具有优异的加工性、低成本和优异的机械性能，广泛应用于生物医学，家用产品，电子电气工业，食品容器和包装等。然而聚苯乙烯在燃烧过程中容易被点燃并释放出大量的热量和毒性危害，这限制了其在电子和电气工业中的发展和潜在应用，因此有必要为聚苯乙烯添加高效阻燃剂以改善其防火性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法，该负极材料为无定型介孔碳材料掺杂氮原子形成的复合材料，其中无定型介孔碳材料是由高分子发泡材料通过预碳化形成的。由于可控合成出来的掺杂氮原子的多孔结构有效的改善锂离子电池的比容量和循环性能，克服了现有技术制备的锂离子电池负极材料在充放电过程中体积膨胀和低比容量的问题，有效地提高了锂离子电池的比容量和循环稳定性。所述制备方法采用高分子材料发泡合成高分子发泡材料，高分子发泡材料干燥后通过预碳化，得到无定型介孔碳材料，然后无定型介孔碳材料和硫脲经高温煅烧制备出无定型介孔碳材料掺杂氮原子的锂离子电池负极材料。

本发明的技术方案为：一种锂离子电池负极材料为无定型介孔碳材料掺杂氮原子形成的

复合材料，其中无定型介孔碳材料是由高分子发泡材料通过预碳化形成的。

一种所述锂离子电池负极材料的制备方法，首先将高分子材料进行发泡；然后待发泡结

束后收集反应所得的高分子发泡材料进行预碳化，得到无定型介孔碳材料；最后将无定型介孔碳材料和硫脲置于管式炉中进行高温煅烧，即得无定型介孔碳材料掺杂氮原子的复合材料。

所述无定型介孔碳材料和硫脲的质量比为1:1。

所述无定型介孔碳材料和硫脲的质量比为1:3。

所述无定型介孔碳材料和硫脲的质量比为1:5。

所述高分子材料为聚苯乙烯。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）高分子发泡材料：首先将聚苯乙烯粉末烘干；然后将烘干的聚苯乙烯粉末、阻燃剂和发泡剂置于双旋螺杆中熔融共混并进行挤出；最后将所有挤出的棒进行水浴冷却，造粒，干燥，得到高分子发泡材料；

（2）预碳化：将步骤（1）所得高分子发泡材料置于管式炉中高温煅烧，煅烧结束后得到无定型介孔碳材料；

（3）高温煅烧：将步骤（2）所得无定型介孔碳材料和硫脲置于管式炉中高温煅烧，冷却至室温，即得无定型介孔碳材料掺杂氮原子的复合材料。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）高分子发泡材料：首先将聚苯乙烯粉末在80～90℃下烘干4小时；然后将烘干的聚苯乙烯粉末、阻燃剂和发泡剂置于双旋螺杆中熔融共混并进行挤出，其中按照质量比聚苯乙烯：阻燃剂：发泡剂为1:2:1；螺杆速度为200rpm，所述螺杆上套有至少8个螺杆加热器，通过螺杆加热器控制挤压温度按照挤压方向依次为5℃、190℃、190℃、190℃、190℃、195℃和205℃，最后将所有挤出的棒进行水浴冷却至常温，造粒，在80℃下干燥4小时，得到高分子发泡材料；

（2）预碳化：将步骤（1）所得高分子发泡材料置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为800～900℃，煅烧时间为4h，煅烧结束后得到无定型介孔碳材料；

（3）高温煅烧：将步骤（2）所得无定型介孔碳材料和硫脲置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h；冷却至室温，即得无定型介孔碳材料掺杂氮原子的复合材料。

本发明的有益效果为：本发明所述锂离子电池负极材料为无定型介孔碳材料掺杂氮原子形成的复合材料，其中无定型介孔碳材料是由高分子发泡材料通过预碳化形成的。

首先通过高分子发泡技术制备高分子发泡材料，然后在高温的条件下进行预碳化得到无定型介孔碳材料，无定型介孔碳材料具有较大的比表面积，其空洞的纳米结构可以提供额外的缓冲空间。同时原位氮掺杂不仅可以增加充电容量，还可以改善碳材料的电化学性能，因为氮原子的掺杂可以提高电子传导性，扩大碳材料的层间距，有利于锂离子进行嵌入和脱出，提高电池的倍率性能。

本发明制备出的无定型介孔碳材料掺杂氮原子用作锂离子电池负极材料能够显著改善锂离子电池的倍率性能和稳定性能，提升电池的容量与使用寿命，这对锂离子电池工业化的实现具有积极的意义。

附图说明

图1为无定型介孔碳材料的扫描电镜的图片。

图2为无定型介孔碳材料掺杂氮原子复合材料的透射电镜图。

图3为所制备的无定型介孔碳材料掺杂氮原子复合材料作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池时在电流密度为1ag^-1下放电条件下的电化学循环图，其中npc-1代表实施例1，npc-3代表实施例2，npc-5代表实施例3。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。其中所涉及到的原材料均通过上海麦克林试剂有限公司所购的。

实施例1

所述锂离子电池负极材料为无定型介孔碳材料掺杂氮原子形成的复合材料，其中无定型

介孔碳材料是由高分子发泡材料通过预碳化形成的。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）高分子发泡材料：首先将聚苯乙烯粉末在80℃下烘干4小时，目的是将多余的水分去除掉；然后将烘干的聚苯乙烯粉末、阻燃剂和发泡剂置于双旋螺杆中熔融共混并进行挤出，其中按照质量比聚苯乙烯：阻燃剂：发泡剂为1:2:1；螺杆速度为200rpm，所述螺杆上套有8个螺杆加热器，通过螺杆加热器控制挤出的温度按照挤压方向依次为105℃、185℃、190℃、190℃、190℃、190℃、195℃和205℃，最后将所有挤出的棒进行水浴冷却至常温，造粒即通过切割机直接切割成圆柱形的颗粒，在80℃下干燥4小时，得到高分子发泡材料；

（2）预碳化：将步骤（1）所得高分子发泡材料置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧时间为4h，煅烧结束后得到无定型介孔碳材料；

（3）高温煅烧：将步骤（2）所得无定型介孔碳材料和硫脲按照质量比1:1置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h；冷却至室温，即得无定型介孔碳材料掺杂氮原子的复合材料。

由图1可见，制备得到的无定型介孔碳材料形貌为片层结构，而且片层上有很多大孔和介孔。

由图2可见，制备的无定型介孔碳材料掺杂氮原子复合材料为多孔结构。

实施例2

所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）高分子发泡材料：首先将聚苯乙烯粉末在80℃下烘干4小时，目的是将多余的水分去除掉；然后将烘干的聚苯乙烯粉末、阻燃剂和发泡剂置于双旋螺杆中熔融共混并进行挤出，其中按照质量比聚苯乙烯：阻燃剂：发泡剂为1:2:1；螺杆速度为200rpm，所述螺杆上套有8个螺杆加热器，通过螺杆加热器控制挤出的温度按照挤压方向依次为105℃、185℃、190℃、190℃、190℃、190℃、195℃和205℃，最后将所有挤出的棒进行水浴冷却至常温，造粒，在80℃下干燥4小时，得到高分子发泡材料；

（2）预碳化：将步骤（1）所得高分子发泡材料置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为4h，煅烧结束后得到无定型介孔碳材料；

（3）高温煅烧：将步骤（2）所得无定型介孔碳材料和硫脲按照质量比1:3置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h；冷却至室温，即得无定型介孔碳材料掺杂氮原子的复合材料。

实施例3

所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）高分子发泡材料：首先将聚苯乙烯粉末在80℃下烘干4小时，目的是将多余的水分去除掉；然后将烘干的聚苯乙烯粉末、阻燃剂和发泡剂置于双旋螺杆中熔融共混并进行挤出，其中按照质量比聚苯乙烯：阻燃剂：发泡剂为1:2:1；螺杆速度为200rpm，所述螺杆上套有8个螺杆加热器，通过螺杆加热器控制挤出的温度按照挤压方向依次为105℃、185℃、190℃、190℃、190℃、190℃、195℃和205℃，最后将所有挤出的棒进行水浴冷却至常温，造粒，在80℃下干燥4小时，得到高分子发泡材料；

（2）预碳化：将步骤（1）所得高分子发泡材料置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧时间为4h，煅烧结束后得到无定型介孔碳材料；

（3）高温煅烧：将步骤（2）所得无定型介孔碳材料和硫脲按照质量比1:5置于管式炉中高温煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h；冷却至室温，即得无定型介孔碳材料掺杂氮原子的复合材料。

由图3可见，实施例3所制备的无定型介孔碳材料掺杂氮原子复合材料作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池时，电池在电流密度为1a/g的条件下循环了50圈还可以保持在600mah/g的比容量，而且稳定性比较好。