[发明专利]提高锂碳复合材料批量化生产的产率的方法及其设备

说明书

本发明提供一种提高锂碳复合材料批量化生产的产率的方法及其设备。具体地，所述方法包括在惰性气氛下依次进行下列步骤：(1)将锂和多孔碳材料载体以3∶1至1∶1的重量比依次加入到反应釜中；(2)将反应釜加热到200‑220℃的温度，并且以70‑100转/分钟的搅拌器的转速将反应釜中的混合物预搅拌1‑3分钟；(3)将反应釜加热到230‑280℃的温度，并且以300‑700转/分钟的搅拌器的转速将反应釜中的混合物快速搅拌20‑60分钟；和(4)停止搅拌并且将反应釜冷却至室温，以得到所述锂碳复合材料。根据本发明的技术方案，能够以高的收率机械化生产锂碳复合材料，并且获得缩短制备时间、提高产品的一致性的效果。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体而言，本发明提供一种用于提高锂碳复合材料批量化生产的产率的方法及其设备。

背景技术

锂电池因其高的比能量、长的循环寿命等优点，已经广泛应用于消费电子、电动汽车和储能等领域。但是目前锂电池是以含有锂元素的化合物作为正极，并且以石墨作为负极，而石墨类负极材料的比容量极限约为370mAh/g，基于这种负极材料已经难以进一步提高锂电池的能量密度，难以适应市场对更高能量密度锂电池的需求。由于金属锂负极具有高的比容量(3860mAh/g)，低的电极电势(-3.04V vs标准氢电极)，锂电池因其高的比能量、长的循环寿命，高电压而广泛应用于消费电子、电动汽车和储能等领域。金属锂负极具有高的比容量(3860mAh/g)，低的电极电势(-3.04V vs SHE)和小的密度(0.59g/cm^-3)一系列优势，采用金属锂作为电池负极能明显提高锂电池的能量密度。同时金属锂作为电池负极，可以提供锂离子，那么正极可以采用容量更高的不含锂元素的材料，例如硫、空气。

然而，金属锂负极电池在循环过程中不断形成枝晶和“死锂”，导致库伦效率低、循环寿命短。更重要的是，枝晶的生长有可能会刺穿隔膜造成正负极相接而发生内部短路，导致释放出大量的热，造成电池的燃烧甚至爆炸。上述问题使金属锂负极在近几十年的应用受到极大的限制。

增大金属锂比表面积以及减小金属锂表面的电流密度，是抑制枝晶生长的一种有效办法。美国FMC公司使用熔融乳化的方法制备出金属锂颗粒，之后在其表面进行修饰，得到可在干燥空气中稳定存在的金属锂颗粒，此材料可以制备成电极片作为电池负极使用(参见，US 8,021,496 B2，US 2013/0181160 A1，CN 102255080 A)。但是采用这种熔融乳化技术制备出来的锂颗粒粒径为20-100微米，颗粒尺寸较大，对电极比表面积的提高有限，而且这种熔融乳化的制备方法需要剧烈搅拌和反复过滤清洗，步骤复杂，设备成本高。韩国高丽大学的Woo Young Yoon团队通过熔融乳化法制备出金属锂颗粒，并对其进行表面修饰，以抑制枝晶生长(参见，Journal of Power Sources，2010，195(18)：6143-6147)。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所制备出一种金属锂-骨架碳复合材料，将熔融状态的金属锂与多孔的碳材料载体均匀混合，冷却得到锂碳复合材料，利用该材料有效地抑制了枝晶生长，提高电池的安全性，并且提供较高的比容量和良好的循环性能(参见，PCT国际申请公开号WO 2015139660A1；中国专利申请号CN 201410395114.0)。尽管以上方法在抑制枝晶生长方面具有显著效果，但是上述金属锂-骨架碳复合材料的制备仍处于实验室水平，需要采用手工办法制备，难以大批量生产。此外，根据上述方法所得到的产品产率低，一致性较差。

因此，开发出一种能够以高产率批量生产锂碳复合材料的方法成为了当前研究的重点之一。

发明内容

从以上阐述的技术问题出发，本发明的目的是提供一种用于以高产率批量生产锂碳复合材料的方法，该方法能够以高的收率机械化生产锂碳复合材料，并且获得缩短制备时间、提高产品的一致性的效果。

本发明人经过深入细致的研究，完成了本发明。