一种具有纳米线和纳米颗粒状碳材料及其制备方法、锂离子电池与流程

本发明涉及锂离子电池领域，具体地，涉及一种具有纳米线和纳米颗粒状碳材料的制备方法及锂离子动力电池。

背景技术：

1、锂离子电池负极主要使用碳材料作为电极。碳材料具有低电位、高比表面积、良好的电化学反应活性和化学稳定性。在碳材料中，主要有天然石墨、人工石墨、非晶碳、纳米管状碳、石墨烯等几种形态。其中，天然石墨是最常用的一种负极碳材料，因为其分子结构非常规整，并具有良好的电导性和化学稳定性。然而，天然石墨有一些缺点，如比表面积较小、容积效应明显等，因此难以满足发展电动汽车的需求。为了克服天然石墨存在的问题，研究人员开始探索其他类型的碳材料。例如，纳米管状碳和石墨烯具有非常高的比表面积和导电性，因此可以提高电容和电化学反应速率。此外，非晶碳由于其分子结构的不规则性，可以更好地容纳锂离子，降低容积效应。尽管如此，要满足目前快速发展的电动汽车市场的需求，研究人员需要找到更加先进的材料。目前，一些新型碳材料，如硅化碳、氟化碳等正在逐步应用于锂离子电池负极材料的研究中。新型锂离子电池负极碳材料相较于传统的石墨材料具有以下优缺点：优点在于相对于传统碳材料，新型碳材料具有更高的理论比容量和比能量，能够大大提高电池的能量密度。一些新型碳材料，如硅化碳、氟化碳，具有更高的离子扩散速率，可以提高电池的充放电速率和循环寿命。另外，有些新型碳材料在制备上更加容易控制，生产效率更高，加工成本更低。其缺点在于一些新型碳材料的稳定性不够，容易失去活性而影响电池的寿命，研究新型材料需要更高的研发成本和时间。

2、现有制备碳材料的技术有多种，传统的制备方法可能存在环境污染问题。例如，利用化学还原法或热反应法制备碳材料通常需要使用含有有害物质的化学试剂，这些试剂在生产过程中对环境和人体健康都有一定的危害。制备过程中对于材料的控制困难。由于碳材料拓扑结构和电化学性质的高度复杂性，制备过程中材料的性质不容易控制且难以精确地评估，并且生产成本较高。现代科学技术追求精细和高效，制备负极碳材料的方法也需要越来越复杂和高端的设备和技术手段，所以生产成本相对较高，目前尚未实现大规模生产。尽管研究人员们已经开发出了各种新型的碳材料制备方法，但要将这些方法推广到工业化生产的规模还需要更多研究和实践。

3、可见，碳材料在锂离子电池应用过程中起着至关重要的作用。但现有锂离子电池负极碳材料在制备过程中可能存在的缺点和限制，主要包括以下四点：首先，锂离子电池的低比能量和低能量密度：相对于高能量密度的正极材料，负极材料的能量密度相对较低，导致整个电池的能量密度降低。其次，锂离子电池负极材料容易发生体积扩散和溶解反应，随着充放电循环次数的增多，会导致失活和剥落，降低电池的循环寿命。另外，在高倍率充放电过程中，锂离子电池负极材料的电化学反应速率不能满足需要，导致电池的电流输出能力降低。最后，生产锂离子电池负极材料需要耗费大量能源和资源，同时生产和使用过程还会产生大量有害物质和废弃物，对环境造成一定的影响。

4、为了解决负极碳材料上述所提到的问题，进一步提高锂离子电池的性能，充分发挥负极碳材料的优势。本发明通过水热合成法、共沉淀法和气相沉积方式结合制备具有纳米线和纳米颗粒状的碳材料。这样的碳材料同时具有纳米线和纳米颗粒状结构，有利于材料分散的同时，能够作为负极材料在电极中形成连续的导电网络，增强了电子的传导能力，提升锂离子电池的性能。通过实验发现这种负极碳材料具有纳米线和纳米颗粒状的结构，具有较大的表面积；可以明显降低锂离子电池的内阻，提升锂离子电池的倍率性能和循环稳定性。

技术实现思路

1、传统的负极碳材料与新型碳材料需要在材料的结构，稳定性和电性能方面要有所改进。基于此，本发明通过水热合成法、共沉淀法和气相沉积方式结合制备具有纳米线和纳米颗粒状的碳材料。制得的碳材料同时具有纳米线和纳米颗粒状结构，有利于材料分散的同时，能够作为负极材料在电极中形成连续的导电网络，增强了电子的传导能力；碳材料的结构特异，表面积大，应用于锂离子电池当中其电化学性能优异。

2、本发明首先通过水热合成法制备具有纳米线状氢氧化镍，再通过共沉淀法在纳米线上生成纳米颗粒状的氢氧化钴；通过气相沉积法在金属上沉积碳材料，用酸除去金属的元素，即可以得到具有纳米线和纳米颗粒状的碳材料。

3、本发明涉及一种具有纳米线和纳米颗粒状碳材料，其通过下述方法制备得到：

4、(1)称取镍源，尿素于去离子溶液中，搅拌使其充分溶解；

5、(2)将上述溶液进行加热反应，得到的纳米线状氢氧化镍采用去离子水洗涤，干燥备用；

6、(3)称取钴源于去离子溶液中,搅拌使其充分溶解，得到钴源的水溶液；

7、(4)将纳米线状氢氧化镍和钴源的水溶液混合均匀，向其缓慢加入氢氧化钠；待反应完全后，颗粒状的氢氧化钴在纳米线状氢氧化镍上沉积，用去离子水洗涤，干燥备用；

8、(5)通过气相沉积反应，以乙烷为碳源，从而使得碳材料沉积；

9、(6)通过酸洗去除去金属元素，洗涤干燥即可获得纳米线和颗粒状的碳材料。

10、其中，上述方法中，镍源可以为硫酸镍、氯化镍、硝酸镍中一种；优选的，镍源为氯化镍；钴源可以为硫酸钴、氯化钴、硝酸钴中的一种；优选的，镍源为氯化镍；上述方法中，生成纳米线状氢氧化镍的加热方法可以使用水热合成法、微波加热法，溶剂热法中一种；气相沉积法可以为电弧法、磁控溅射法、快速脉冲高温加热中一种。

11、例如，具体的，所述一种具有纳米线和纳米颗粒状的碳材料，其制备步骤可以如下：

12、(1)称取1～3mmo l氯化镍，1～3mmo l尿素于40～60ml去离子溶液中，搅拌10～30min使其充分溶解；

13、(2)将上述溶液进行水热合成反应，所设置的反应温度为100～150℃，反应时间为2～4h；得到的纳米线状氢氧化镍采用去离子水洗涤，干燥备用；

14、(3)称取1～3mmo l氯化钴于20～30ml去离子溶液中,搅拌10～30min使其充分溶解，得到氯化钴的水溶液；

15、(4)将纳米线状氢氧化镍和氯化钴的水溶液混合均匀，向其缓慢加入0.5～2mo l/l的氢氧化钠4～10ml；待反应完全后，颗粒状的氢氧化钴在纳米线状氢氧化镍上沉积，用去离子水洗涤，干燥备用；

16、(5)通过气相沉积反应，以乙烷为碳源，设置反应温度为800～1000℃，反应时间为1～2h，从而使得碳材料沉积；

17、(6)通过1～3mo l/l的hcl溶液20～50ml洗除去金属元素，洗涤干燥即可获得纳米线和颗粒状的碳材料。

18、本发明制备得到的碳材料对锂离子电池的电化学性能有了显著的提高；具有纳米线和纳米颗粒状的碳材料，其特殊的结构特点可以使得这种材料能够在锂离子电池当中形成导电网络，具有较大的表面积；具有纳米线和颗粒状结构有利于增强了电子的传导能力，提升锂离子电池的电化学性能。

19、相应的，如下述所述的一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：

20、s1：分别配制锂离子电池正极和负极浆料，浆料成分包括正负极材料物质、粘接剂、增稠剂和导电剂；

21、其中，锂离子电池正极浆料包括固体成分和溶剂。所述的固体成分包括正极材料、粘接剂和导电剂；优选的，质量百分比分别为正极材料(90-98％)、粘接剂(1-3％)和导电剂(1-5％)。

22、其中，锂离子电池负极浆料包括固体成分和溶剂。所述的固体成分包括负极材料、粘接剂、增稠剂和导电剂。优选的，质量百分比分别为负极材料(90-96％)、粘接剂(1-2％)、增稠剂(1-2％)和导电剂(1-3％)。所述的负极材料为纳米线和纳米颗粒状的碳材料。

23、作为优选，所述锂离子电池正极浆料成分中，正极材料为镍钴锰酸锂三元正极材料；粘接剂为聚偏氟乙烯，导电剂为导电炭黑。

24、作为优选，所述锂离子电池负极浆料成分中，粘接剂为丁苯橡胶，增稠剂为羧甲基纤维素钠，导电剂为导电炭黑，负极材料为上述制备纳米线和颗粒状的碳材料。

25、s2：一种锂离子电池正极和负极，将正负极浆料分别涂布于正极和负极集流体上，经过辊压、分切、模切和烘烤制得。

26、作为优选，所述正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。

27、s3：一种锂离子电池，其通过将正极和负极极片与隔膜、电解液和壳体组装得到。

28、其中，锂离子电池包括正极、负极、电解液、隔膜和壳体。

29、作为优选，所述锂离子电池正极和负极用隔膜隔开，电解液隔膜和所述锂离子电池正极和负极位于壳体内部。

30、作为优选，所述锂离子电池壳体为方形软包或方形壳体。

31、有益效果：

32、本发明通过水热合成法、共沉淀法和气相沉积方式结合制备具有纳米线和纳米碳材料。这样的碳材料可以使得锂离子电池中各种物质与碳材料能够形成良好的接触。同时具有纳米线和纳米颗粒状结构有利于材料分散的同时，能够作为负极材料在电极中形成连续的导电网络，增强了电子的传导能力，提升锂离子电池的性能。制备的得到的材料具有纳米线和纳米颗粒状，具有较大的表面积，可以发挥出更加优异的电化学性能；例如，可以明显降低锂离子电池的内阻，提升锂离子电池的倍率性能和循环稳定性。