本發(fā)明涉及鋰電池負(fù)極，特別涉及一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、目前，鋰電池市場正處于快速增長階段。隨著電動汽車和電力儲能市場的迅速發(fā)展，對鋰電池的需求量大幅增加，因此對鋰離子電池的容量提出了更高的要求。鋰離子電池主要由正負(fù)電極、電解液、薄膜、集流體和外殼構(gòu)成，其中對電池容量起到直接作用的是電極材料，目前商業(yè)上常用的負(fù)極材料是碳基材料，然而其理論比容量只有372mah/g，相對較低。相比之下，硅基材料擁有4200mah/g的理論比容量，是碳基材料的10倍以上。但純硅材料在經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，其顆粒會粉碎化，嚴(yán)重影響電池性能。硅碳負(fù)極材料結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，材料結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，比容量較高。
2、然而，硅碳負(fù)極也面臨一些技術(shù)難題：1.體積膨脹：由于鋰離子嵌負(fù)極材料時，材料會發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致電極材料的變形和破裂；2.電解液腐蝕：硅元素對常用的有機(jī)電解液具有較強(qiáng)的腐蝕性，這會導(dǎo)致電解液的分解，進(jìn)一步影響電池的性能穩(wěn)定性，腐蝕問題需要解決，以確保電池的長期穩(wěn)定運(yùn)行；3.電荷傳輸困難：硅在充放電過程中，電荷傳輸速度較慢，這會導(dǎo)致充放電效率低下，硅碳復(fù)合能使這個情況得到一定改善，導(dǎo)電能力和碳含量成正相關(guān)，碳含量過高，又會使得硅碳材料比容量降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極及其制備方法，本發(fā)明利用模板材料與氧化劑混合形成纖維狀絡(luò)合物，并通過單體材料在氧化劑的作用下形成水凝膠，隨后，通過混合活性物質(zhì)和冷凍干燥的方法制備出多孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z，碳?xì)饽z可以作為活性物質(zhì)的附著骨架，并經(jīng)過進(jìn)一步碳化得到碳?xì)饽z復(fù)合材料，其中氣凝膠的結(jié)構(gòu)由碳納米管組成，這種碳?xì)饽z復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)和碳納米管構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這些特性能夠提高負(fù)極的導(dǎo)電性能，并且可以緩沖活性物質(zhì)的體積膨脹。多孔結(jié)構(gòu)有助于容納更多的電解液，從而更好地浸泡負(fù)極，降低鋰離子的傳輸距離，這種設(shè)計(jì)能夠提高負(fù)極的容量和循環(huán)壽命，并減少體積膨脹對電池結(jié)構(gòu)的破壞，可以有效解決背景技術(shù)中的問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
3、一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，包括如下步驟：
4、s1、將模板與氧化劑溶解在去離子水中，攪拌形成纖維狀絡(luò)合物；
5、s2、將反應(yīng)物單體加入所述纖維狀絡(luò)合物中，攪拌得到水凝膠；
6、s3、把活性物質(zhì)添加進(jìn)所述水凝膠攪拌混合充分，靜置洗滌得到含有活性物質(zhì)的水凝膠；
7、s4、將所述含有活性物質(zhì)的水凝膠放入冷凍干燥機(jī)干燥后，得到含有活性物質(zhì)的氣凝膠；
8、s5、將所述含有活性物質(zhì)的氣凝膠在保護(hù)性氣體的保護(hù)下，進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，獲得含有活性物質(zhì)的碳?xì)饽z。
9、進(jìn)一步地，所述步驟s1中的模板材料選自甲基藍(lán)、甲基紅、乙基橙、乙基紅中的至少一種。
10、進(jìn)一步地，所述步驟s1中的氧化劑選自過硫酸銨、過氧化氫、高錳酸鉀、過氧化鈉、高氯酸鹽、硝酸中的至少一種。
11、進(jìn)一步地，所述步驟s2中的反應(yīng)物單體選自吡咯、噻吩、咪唑、噻唑、噻二唑、噻吩并咪唑中的至少一種。
12、進(jìn)一步地，所述模板、氧化劑、反應(yīng)物單體的質(zhì)量比可為(20-80)：1：70，優(yōu)選(30-70)：1：70，更優(yōu)選(40-50)：1：70。
13、進(jìn)一步地，所述模板的濃度為2～14mol?l-1，優(yōu)選4～12mol?l-1，更優(yōu)選6～10moll-1。
14、進(jìn)一步地，所述步驟s3中的活性物質(zhì)為人造石墨、天然石墨、硅負(fù)極、硅碳負(fù)極中的至少一種。
15、進(jìn)一步地，所述步驟s3中的洗滌劑為去離子水，自來水，乙醇等溶劑。
16、進(jìn)一步地，所述步驟s5中的保護(hù)氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣、氬氫中的至少一種。
17、進(jìn)一步地，所述碳?xì)饽z與活性物質(zhì)的質(zhì)量比為(5-30):(70-95)，優(yōu)先(5-20)：(80-95)，更優(yōu)先(5-10):(90-95)。
18、進(jìn)一步地，所述步驟s1中的攪拌過程為5-120分鐘，優(yōu)選5-60分鐘，更優(yōu)選20-30分鐘。
19、進(jìn)一步地，所述步驟s2中的攪拌過程為5-120分鐘，優(yōu)選5-60分鐘，更優(yōu)選20-30分鐘。
20、進(jìn)一步地，所述步驟s3中的攪拌靜置時間為4-24小時，優(yōu)選12-24小時，更優(yōu)選20-22小時。
21、進(jìn)一步地，所述步驟s5中的煅燒升溫速率為5-30℃/min，優(yōu)選5-20℃/min，更優(yōu)選10-20℃/min。
22、進(jìn)一步地，所述步驟s5中的煅燒溫度為800-1200℃，優(yōu)選900-1100℃，更優(yōu)選900-1000℃。
23、進(jìn)一步地，所述步驟s5中的持續(xù)時間為0.5-12h，優(yōu)選的2-10h，更優(yōu)選的4-6h，并自然冷卻至室溫。
24、進(jìn)一步地，所述制成的碳?xì)饽z復(fù)合負(fù)極為鋰離子電池電極。
25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
26、本發(fā)明利用模板材料與氧化劑混合形成纖維狀絡(luò)合物，并通過單體材料在氧化劑的作用下形成水凝膠，隨后，通過混合活性物質(zhì)和冷凍干燥的方法制備出多孔結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z，碳?xì)饽z可以作為活性物質(zhì)的附著骨架，并經(jīng)過進(jìn)一步碳化得到碳?xì)饽z復(fù)合材料，其中氣凝膠的結(jié)構(gòu)由碳納米管組成。這種碳?xì)饽z復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)和碳納米管構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這些特性能夠提高負(fù)極的導(dǎo)電性能，并且可以緩沖活性物質(zhì)的體積膨脹，多孔結(jié)構(gòu)有助于容納更多的電解液，從而更好地浸泡負(fù)極，降低鋰離子的傳輸距離，這種設(shè)計(jì)能夠提高負(fù)極的容量和循環(huán)壽命，并減少體積膨脹對電池結(jié)構(gòu)的破壞。
1.一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述步驟s1中的模板材料選自甲基藍(lán)、甲基紅、乙基橙、乙基紅中的至少一種，所述步驟s1中的氧化劑選自過硫酸銨、過氧化氫、高錳酸鉀、過氧化鈉、高氯酸鹽、硝酸中的至少一種，所述步驟s2中的反應(yīng)物單體選自吡咯、噻吩、咪唑、噻唑、噻二唑、噻吩并咪唑中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述模板、氧化劑、反應(yīng)物單體的質(zhì)量比可為(20-80)：1：70，優(yōu)選(30-70)：1：70，更優(yōu)選(40-50)：1：70。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述模板的濃度為2～14moll-1，優(yōu)選4～12mol?l-1，更優(yōu)選6～10moll-1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述步驟s3中的活性物質(zhì)為人造石墨、天然石墨、硅負(fù)極、硅碳負(fù)極中的至少一種，所述步驟s3中的洗滌劑為去離子水，自來水，乙醇等溶劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述步驟s5中的保護(hù)氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣、氬氫中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述碳?xì)饽z與活性物質(zhì)的質(zhì)量比為(5-30):(70-95)，優(yōu)先(5-20)：(80-95)，更優(yōu)先(5-10):(90-95)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述步驟s1中的攪拌過程為5-120分鐘，優(yōu)選5-60分鐘，更優(yōu)選20-30分鐘，所述步驟s2中的攪拌過程為5-120分鐘，優(yōu)選5-60分鐘，更優(yōu)選20-30分鐘，所述步驟s3中的攪拌靜置時間為4-24小時，優(yōu)選12-24小時，更優(yōu)選20-22小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述步驟s5中的煅燒升溫速率為5-30℃/min，優(yōu)選5-20℃/min，更優(yōu)選10-20℃/min，所述步驟s5中的煅燒溫度為800-1200℃，優(yōu)選900-1100℃，更優(yōu)選900-1000℃，所述步驟s5中的持續(xù)時間為0.5-12h，優(yōu)選的2-10h，更優(yōu)選的4-6h，并自然冷卻至室溫。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的一種碳?xì)饽z復(fù)合鋰電池負(fù)極制備方法，其特征在于：所述制成的碳?xì)饽z復(fù)合負(fù)極為鋰離子電池電極。