利用莲花根茎制备碳包覆三元电极材料及应用的制作方法

1.本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域,尤其涉及一种利用莲花根茎制备碳包覆三元电极材料及应用。
2.

背景技术：

3.化石能源的快速消耗对世界经济和生态环境产生重大影响。随着人们环保意识的提高，发展高效、清洁、安全的能源体系越来越受到研究者的关注。其中化学储能是能源体系的研究热点。在众多化学储能装置中，锂离子电池因为高的能量密度、电压等众多优点脱颖而出。
[0004]“新一代生物能源”纤维乙醇与微藻生物柴油具有良好的发展前景，但由于一些关键技术瓶颈尚未突破，导致较高的生产成本，严重制约其向产业化的推广应用。
[0005]
水生植物莲花是一类漂浮在淡水湖、池塘和水池中的水生植物，在国内分布较广。水生植物莲花对金属离子有很好的吸附效果，在环保领域有将其应用于含金属离子废水的处理，以吸附废水中的金属离子。将莲花对金属离子的吸附应用于锂电池的制造是一个很好的研究方向。而且由于莲花易于培养，有望部分解决能源储存产业化发展所面临的原料瓶颈问题。


技术实现要素：

[0006]
针对上述问题，本发明提供一种利用莲花根茎制备碳包覆三元电极材料及应用，利用植物汲取营养的特性制备碳包覆三元正极材料用于锂电池。
[0007]
为实现上述目的，本发明的技术方案如下:利用莲花根茎制备碳包覆三元电极材料，包括如下步骤：（1）用镍、钴、锰盐配置成金属离子溶液，将市售莲花整株放入金属离子溶液中培养，控制培养室的温度和湿度，数天后拿出整株置于烘箱中烘干；（2）将步骤（1）烘干的整株莲花根茎与氢氧化钠溶液、氨水一起加入反应釜中，进行控制结晶、沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到前驱体；3）加入锂源，将前驱体与锂源在750-900℃下煅烧得到目标产物三元电极材料。
[0008]
作为优选,步骤(1)中，所述的镍源、钴源、锰源为对应硝酸盐、硫酸盐或氯化盐中的一种或多种。
[0009]
作为优选,步骤(1)中，所述的金属离子的溶度为0.1~1 mol l-1
。
[0010]
作为优选,步骤(1)中，所述的金属离子的比例为ni:co:mn=(1-3):(1-3):(1-3)。
[0011]
作为优选,步骤(1)中，莲花培养周期为7-20 d。
[0012]
作为优选,步骤(2)中，氢氧化钠溶液、氨水溶液ph值控制在11.5-12。
[0013]
作为优选,，步骤(2)中，煅烧过程在氮气氛围下进行，升温速率为5℃min-1
，保温时间2h。
[0014]
根据所述碳包覆三元电极材料的应用，作为锂离子电池的正极材料，用于电池的制备。
[0015]
碳包覆三元电极材料的应用进一步的优选，所述锂离子电池为纽扣电池，将获得的碳包覆三元电极材料与 pvdf 和乙炔黑以 8∶1∶1 的质量比溶解在n
‑ꢀ
甲基吡咯烷酮（nmp）中，形成浆液，然后将混合物的浆液均匀涂布到铝箔上并放在干燥箱中温度维持在60℃，时间保持 12h 以上进行干燥，干燥好的浆料在室温下用裁片机裁成直径为 10mm 的圆片，将圆片进行称量，并放入手套箱，组装成纽扣电池。
[0016]
本发明的优点在于：将莲花作为碳包覆三元电极材料的碳源，同时利用莲花吸收的金属离子作为活性材料的来源，能够提高碳源和金属离子间的结合程度，能够有效提升作为三元材料的比表面积；本发明利用莲花水生植物对金属离子的吸附作用，提供新的金属离子和碳源紧密结合的新途径，相比现有的碳源来源，降低了碳源材料的获取成本，还能够和农业种植业结合来提高产品的附加值。
附图说明
[0017]
附图说明：图1为放大下的碳包覆三元电极材料sem图一，图2为放大下的碳包覆三元电极材料sem图二，图3为倍率性能图。
[0018]
图4为循环性能图。
具体实施方式
[0019]
下面对本发明的具体内容进行进一步的说明本发明是一种利用植物汲取营养的特性制备碳包覆三元正极材料。
[0020]
制备碳包覆三元电极材料的方法,包括如下步骤:（1）配制0.1~1mol l-1
含有（ni，co，mn）金属离子的溶液，选取大小相似的莲花放入培养，控制培养室的温度和湿度，10d后拿出置于烘箱中烘干。培养过程中，有许多水分蒸发损失，为了更准确的进行金属离子浓度的测量，我们在过滤后的溶液中添加二次水，使溶液的体积恢复为如初。剩下的溶液继续用作第二轮的培养实验。需要注意的是，由于莲花对金属离子的富集作用，多次重复的培养会使得溶液中的金属离子浓度不断降低，因此要定期测量溶液中金属离子的含量，添加适量的金属离子以使溶液浓度达到原来的水平。
[0021]
（2）将烘干的莲花根茎与氢氧化钠溶液、氨水一起加入反应釜中，控制ph值在11.5-12之间，进行控制结晶、沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到前驱体。将前驱体与锂源在750-900℃下煅烧得到目标产物。全程氮气保护，升温速率为5℃min-1
，保温2 h。
[0022]
（3）使用纽扣电池（cr2032）在恒电流循环下研究电化学性能。将获得的产物与 pvdf 和乙炔黑以 8∶1∶1 的质量比溶解在适量的n
‑ꢀ
甲基吡咯烷酮（nmp）中形成浆液，然后将混合物的浆液均匀涂布到铝箔上并放在干燥箱中温度维持在60℃，时间保持 12h 以上进行干燥。干燥好的浆料在室温下用裁片机裁成直径为 10mm 的圆片。将圆片进行称量，并放入手套箱，组装成纽扣电池。
[0023]
以四种具体的成分通过实施例进行说明。
[0024]
实施例11）配制0.1 mol l-1
含有（ni，co，mn）金属离子的溶液，选取大小相似的莲花放入培养，控制培养室的温度和湿度，20天后拿出置于烘箱中烘干。
[0025]
2）将培养的莲花根茎与氢氧化钠溶液、氨水一起加入反应釜中，控制ph值在11.5-12之间，进行控制结晶、沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到前驱体。在氮气保护下，将前驱体与锂源在800 ℃下煅烧，升温速率为5℃min-1
，保温2 h，得到目标产物。
[0026]
3）使用纽扣电池（cr2032）在恒电流循环下研究电化学性能。将获得的产物与 pvdf 和乙炔黑以 8∶1∶1 的质量比溶解在适量的n
‑ꢀ
甲基吡咯烷酮（nmp）中形成浆液，然后将混合物的浆液均匀涂布到铝箔上并放在干燥箱中温度维持在60℃，时间保持 12h 以上进行干燥。干燥好的浆料在室温下用裁片机裁成直径为 10mm 的圆片。将圆片进行称量，并放入手套箱，组装成纽扣电池。
[0027]
图1图2为本实施例步骤2中获得的碳包覆三元正极材料sem图，碳包覆三元正极材料呈多孔丰富的形态，具有很好的比表面积，能够提升导电离子的容纳空间。
[0028]
图3和图4为利用碳包覆三元正极材料制造的纽扣电池测试得到的数据图，由倍率图可知，在使用一段时间后，纽扣电池产品放电比容几乎没有衰减；由循环图可知，在百余次的充电放电循环测试后，电源容量保持几乎不变。
[0029]
实施例21）配制0.2 mol l-1
含有（ni，co，mn）金属离子的溶液，选取大小相似的莲花放入培养，控制培养室的温度和湿度，15天后拿出置于烘箱中烘干。
[0030]
2）将培养的莲花根茎与氢氧化钠溶液、氨水一起加入反应釜中，控制ph值在11.5-12之间，进行控制结晶、沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到前驱体。在氮气保护下，将前驱体与锂源在850℃下煅烧，升温速率为5℃min-1
，保温2 h，得到目标产物碳包覆三元正极材料。
[0031]
3）使用纽扣电池（cr2032）在恒电流循环下研究电化学性能。将获得的产物碳包覆三元正极材料与 pvdf 和乙炔黑以 8∶1∶1 的质量比溶解在适量的n
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甲基吡咯烷酮（nmp）中形成浆液，然后将混合物的浆液均匀涂布到铝箔上并放在干燥箱中温度维持在60℃，时间保持 12h 以上进行干燥。干燥好的浆料在室温下用裁片机裁成直径为 10mm 的圆片。将圆片进行称量，并放入手套箱，组装成纽扣电池。
[0032]
实施例31）配制0.5 mol l-1
含有（ni，co，mn）金属离子的溶液，选取大小相似的莲花放入培养，控制培养室的温度和湿度，10天后拿出置于烘箱中烘干。
[0033]
2）将培养的莲花根茎与氢氧化钠溶液、氨水一起加入反应釜中，控制ph值在11.5-12之间，进行控制结晶、沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到前驱体。在氮气保护下，将前驱体与锂源在900 ℃下煅烧，升温速率为5℃min-1
，保温2 h，得到目标产物碳包覆三元正极材料。
[0034]
3）使用纽扣电池（cr2032）在恒电流循环下研究电化学性能。将获得的产物碳包覆三元正极材料与 pvdf 和乙炔黑以 8∶1∶1 的质量比溶解在适量的n
‑ꢀ
甲基吡咯烷酮（nmp）中形成浆液，然后将混合物的浆液均匀涂布到铝箔上并放在干燥箱中温度维持在60℃，时间保持 12h 以上进行干燥。干燥好的浆料在室温下用裁片机裁成直径为 10mm 的圆片。将圆片进行称量，并放入手套箱，组装成纽扣电池。
[0035]
实施例41）配制0.5 mol l-1
含有（ni，co，mn）金属离子的溶液，选取大小相似的莲花放入培养，控制培养室的温度和湿度，10天后拿出置于烘箱中烘干。
[0036]
2）将培养的莲花根茎与氢氧化钠溶液、氨水一起加入反应釜中，控制ph值在11.5-12之间，进行控制结晶、沉淀，再经过滤、洗涤、干燥得到前驱体。在氮气保护下，将前驱体与锂源在900 ℃下煅烧，升温速率为5℃min-1
，保温2 h，得到目标产物。
[0037]
3）使用纽扣电池（cr2032）在恒电流循环下研究电化学性能。将获得的产物碳包覆三元正极材料与 pvdf 和乙炔黑以 8∶1∶1 的质量比溶解在适量的n
‑ꢀ
甲基吡咯烷酮（nmp）中形成浆液，然后将混合物的浆液均匀涂布到铝箔上并放在干燥箱中温度维持在60℃，时间保持 12h 以上进行干燥。干燥好的浆料在室温下用裁片机裁成直径为 10mm 的圆片。将圆片进行称量，并放入手套箱，组装成纽扣电池。
[0038]
本发明利用莲花对水中金属离子的吸附作用，将碳源和导电金属离子进行深度的融合，能够有效的提升三元材料的特性，提高碳源和金属离子间的结合程度，能够有效提升作为三元材料的比表面积，提升了制造的纽扣锂离子电池的性能，具有很好的市场前景。