[发明专利]一种低温锂离子电池的碳基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低温锂离子电池的碳基复合材料及其制备方法，通过高温热膨胀法制备蠕虫状的膨胀石墨，将膨胀石墨水溶液、碳纳米管水溶液以及氯化锌水溶液均匀混合，通过惰性气体高温活化得到复合材料。该复合材料的结构特点是：具有优良机械性能和导电性能的碳纳米管支撑在膨胀石墨的片层之间，防止石墨片层的堆叠，增强了结构的导电性和稳定性，加快了离子的快速传输。同时，石墨片层上被活化出网筛状的孔洞，使离子能够垂直传输，大大缩短了传输路径，从而实现了其作为锂离子负极材料的高倍率性能和低温性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种低温锂离子电池的碳基复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为绿色环保能源已经广泛应用于各种领域，但是较差的低温性能使其在航空、航天和军事等特殊领域的应用受到限制。一般当温度降至-10℃时，锂离子蓄电池的放电容量和工作电压都会降低，特别是在-30℃以下低温环境中的工作性能较差。石墨负极在低温下嵌锂过程极为困难，造成这一现象的主要原因是在低温下石墨负极中锂离子扩散速率小、嵌锂过程中电极/电解液界面上的电荷传递阻抗较大。因此锂离子电池的低温性能主要由锂离子在负极材料中的传输和扩散影响的，改善石墨负极材料中的锂离子扩散速率是解决低温性能的关键。

碳纳米管作为一种纳米材料，有良好的导电性和大的长径比、比表面积和有利于锂离子迁入迁出的介孔结构，是理想的锂离子电池的导电剂，碳纳米管导电剂的中空结构可作为电解液的仓库，方便了锂离子在电极中的传输，从而使得锂离子在正负极间更容易嵌入和脱嵌，减少了电极极化，提高了电池在低温下的放电平台和放电容量。同时，膨胀石墨（EG）不仅具有天然鳞片石墨的优良性能，还具有质量轻，导电导热性好，易成型等优异特性，使其在低温领域也受到广泛关注。

针对目前的石墨负极材料无法满足锂离子电池在低温下具有良好的电化学性能的要求，本发明提供了一种新型膨胀石墨/碳纳米管复合材料及其制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服石墨作为负极材料在低温环境下应用中存在的局限性的问题，提供一种低温锂离子电池的碳基复合材料的制备方法，利用该复合材料组装的锂离子电池在低温下实现高倍率性能和优异的充放电性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低温锂离子电池的碳基复合材料：膨胀石墨/多壁碳纳米管，膨胀石墨由石墨片层构成的，每片石墨片层上有网筛状的孔洞，所述多壁碳纳米管支撑于所述多片石墨片层之间。

上述碳基复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)称取可膨胀的石墨粉末放入金属密闭容器中，置于马弗炉中高温膨化，得到膨胀石墨；

(2)将所述膨胀石墨超声分散在水中，得到均匀的膨胀石墨水溶液；

(3)将多壁碳纳米管超声分散在水中，得到碳纳米管水溶液；

(4)将所述膨胀石墨水溶液和所述碳纳米管水溶液超声混合均匀后，加入ZnCl₂水溶液，磁力搅拌至均匀混合，得到混合溶液；

(5)将所述混合溶液进行高温干燥，制得样品；

(6)将所述样品用研钵研磨成粉末放入管式炉中在氩气环境下进行高温活化，得到活化样品；

(7)将所述活化样品分别用盐酸、去离子水进行离心洗涤、干燥，得到低温锂离子电池的碳基复合材料。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(1)中所述可膨胀的石墨粉末的质量为1~2g，所述马弗炉中的温度为950-1050℃，所述高温膨化时间为28-32s。

作为本发明的一个优选的实施例，步骤(2)中所述膨胀石墨的质量为0.7-1g，所述水的体积为40-60ml。