一种新型锂离子电池负极材料

本发明涉及alcufe准晶合金材料的制备和应用，特别是一种新型的多孔 alcufe准晶合金的用于锂离子电池负极材料的方法。

背景技术：

1、相比于其他的二次电池，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、绿色环保等优点，已广泛应用于电动汽车和便携式电子产品。锂离子电池的能量密度是影响电动汽车行驶里程、便携式电子产品工作时间的最主要因素，因而提高锂离子电池正极材料的能量密度一直是研究者工作的重点。锂离子电池(lib)具有能量密度高、结构稳定性好、循环寿命长等优点，在满足电子设备和混合动力电动汽车的储能需求方面具有巨大的发展潜力。目前，广泛使用的商用石墨阳极的实际容量较低(372mah/g)，这极大地限制了libs性能的提高。目前常用的锂离子负极材料有石墨、si、钛酸锂、金属负极材料等。其中商用的负极材料是石墨，其循环性能好，但是理论容量低，仅有400mah/g。 si具有高的理论容量，可以达到4000mah/g，放电电压平台接近纯锂，但是其循环寿命非常低。钛酸锂具有高的循环寿命，但是其理论容量低，放电平台电压高。金属负极材料是一些可以与锂组成合金系统的金属或类金属都可作为锂离子电池负极材料。这些负极材料统称为合金负极材料。与传统的石墨材料相比，合金负极材料有理论贮锂容量高，储锂电位低的优点。目前用作锂离子电池负极材料的合金材料大多是锡基合金、铝基合金、硅基合金、锑基合金、镁基合金。

2、作为传统碳电极的可能替代材料，铝基合金已被广泛研究。然而，铝阳极发展的主要障碍仍然是大体积膨胀问题。通过添加电化学惰性材料(如fe、co、ni、cu)或其他活性材料的基质，形成金属间化合物，可有效缓解体积变化引起的应力[1]。目前，alcufe准晶已经应用于锂离子电池的负极材料。实验结果表明，a1cufe准晶材料具有较好的储锂性能，参见：将alcufe准晶合金用于锂离子电池负极材料的方法，中国专利申请号：201510033469.x。同时，其他铝基准晶材料作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池中，也可以表现出优异的充放电性能及良好的循环特性，为探索准晶材料在锂离子电池上的应用提出了可能性，扩宽了准晶材料的应用，参见：一种alcuco准晶材料的应用，中国专利申请号：202011102676.3

3、xiao lan等人通过熔融和随后的热处理合成了al-cu-fe准晶合金，并且发现其可以可逆的储锂，并且有着较高的锂离子扩散阻抗。[2]准晶具有有序但非周期性的结构，并呈现5倍、甚至8倍或10倍对称性。准晶的特殊原子排列决定了它的特殊性质。目前，准晶合金材料已经应用于电化学储氢领域中，如tizrni 准晶[3]。实验结果表明准晶材料有较好的储氢性能。准晶已被用作储氢材料，如气体储存和电化学储氢[4]。al-cu-fe可通过直接熔融铸造工艺形成。al-cu-fe 准晶含有大量铝，具有高的锂存储容量。al-cu-fe准晶可以可逆地存储锂。由于对称性的限制，准晶材料的结构是一种比较疏松的结构。al-cu-fe准晶材料是目前为数不多的在室温热力学稳定的二十面体准晶相。这种准晶中含有大量的锂化物形成元素al。以典型的al63cu25fe12准晶为例，其理论储锂容量达到 1200mah/g以上。因此准晶在锂离子电池负极材料方面有很好的应用前景。

4、参考文献

5、[1]n.umirov，d.h.seo，k.n.jung，h.y.kim and s.s.kim，j.electrochem.sci.technol.，2019，10，82-88.

6、[2]a.p.tsai，y.murakami，a.niikura，the zn-mg-y phase diagram involvingquasicrystals，philos.mag.a 80(2000)1043-1054.

7、[3]tizrni准晶电化学储氢性能研究，姜训勇 张磊 张瑞 刘庆锁，稀有金属，2012，no.2，p249-253

8、[4]lan x，wang h j，sun z h，et al.al-cu-fe quasicrystals as the anodefor lithium ion batteries[j].journal of alloys and compounds，2019，805：942-6.

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种区别于普通alcufe 准晶合金的多孔准晶泡沫的制备方法及其应用，将多孔alcufe准晶泡沫用作了锂离子电池负极材料，用来满足人们对小体积锂离子电池的需要。

2、本发明的技术方案：

3、一种新型多孔alcufe准晶合金泡沫的制备方法，所述alcufe准晶合金由 al、cu和fe组成，各元素的质量百分比含量为：cu 45wt％、fe 13wt％、al 42 wt％。其区别于普通的alcufe准晶合金，是一种具有十二面体相的多孔准晶泡沫。所述的多孔alcufe准晶合金用于锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

4、1)在感应炉中使用以下元素制备al63cu28fe9合金：电解铜(99.5％)、电解铁(99.8％)和纯铝(99.9％)。将熔融合金倒入嵌入砂模中的绝缘套管中，并缓慢固化。获得圆柱形铸锭；

5、2)将步骤1)所得圆柱形铸锭，在铸态条件下，从铸锭中切割出若干样品，使用马弗炉中将铸态试样在800℃进行热处理360分钟，热处理时间结束后，从炉中提取样品，然后放置在陶瓷板上进行空气冷却。热处理时间结束后，从炉中提取样品，然后放置在陶瓷板上进行空气冷却。

6、所述多孔alcufe准晶合金作为锂离子电池负极材料用于制备锂离子电池电极片，包括如下步骤：

7、1)根将粒径不大于60μm的多孔alcufe准晶合金粉料与导电剂、粘结剂混合得到混合粉料，然后将混合粉料加入溶剂中并混合均匀，得到电极浆料， alcufe准晶合金材料与导电剂、粘结剂的质量比为：8∶1∶1，混合粉料与溶剂的质量比为1∶0.5-3，电极浆料的粘度为2000-10000cp；

8、2)将上述电极浆料均匀涂覆在集流体表面，在120℃条件下真空干燥12h 去除水分后制得锂离子电池极片。

9、所述导电剂为比表面积为10-3000m2/g的导电炭黑，粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)，溶剂为nmp有机溶剂。

10、所述集流体为铜箔或泡沫镍，电极浆料在集流体表面的涂覆量为 1-10mg/cm2。

11、本发明的优点是：

12、该方法区别于普通alcufe准晶合金，其具有的高孔隙率应用于锂离子电池负极材料中也具有良好的性能，可拓展铝基合金用作锂离子电池材料的使用范围，在一定程度上满足人们对高容量小体积锂离子电池的需要。

技术特征：

1.一种将新型的多孔alcufe准晶合金泡沫用于锂离子电池负极材料的方法，其特征在于：所述alcufe准晶合金由al、cu和fe组成，各元素的质量百分比含量为：cu 45wt％、fe13wt％、al 42wt％。其区别于普通的alcufe准晶合金，是一种具有十二面体相的多孔准晶泡沫。

2.根据要求1所述的多孔alcufe准晶合金用于锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

3.根据要求2所述多孔alcufe准晶合金作为锂离子电池负极材料用于制备锂离子电池电极片，包括如下步骤：

4.根据要求3所述多孔alcufe准晶合金作为锂离子电池负极材料用于制备锂离子负极材料的方法，其特征在于：所述导电剂为比表面积为10-3000m2/g的导电炭黑，粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)，溶剂为nmp有机溶剂。

5.根据要求3所述多孔alcufe准晶合金作为锂离子电池负极材料用于制备锂离子负极材料的方法，其特征在于：所述集流体为铜箔或泡沫镍，电极浆料在集流体表面的涂覆量为1-10mg/cm2。

技术总结
准晶态金属泡沫被认为是一种新的材料，因为它们在原子结构和机械性能方面与传统材料有根本的不同。他们的制造方法正在不断发展。本文介绍了在熔融金属存在下通过缓慢凝固和热处理获得的准晶泡沫并将其应用于锂离子电池负极材料的方法。所研究的Al63Cu28Fe9合金在800℃下进行热处理。以促进由具有高孔隙率的二十面体相构成的金属结构的形成。再将其作为活性材料用作锂离子电池负极材料。本发明的优点是：该方法区别于普通AlCuFe准晶合金，其具有的高孔隙率应用于锂离子电池负极材料中也具有良好的性能，可拓展铝基合金用作锂离子电池材料的使用范围，在一定程度上满足人们对高容量小体积锂离子电池的需要。

技术研发人员：袁莉
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31