一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括：将硬碳前驱体添加到硫酸铜及催化剂溶液中，过滤，干燥得到前驱体材料，转移到到加热炉中，同时加热红磷到400‑600℃使其升华，沉积在前驱体材料表面，之后添加到水溶液中进行还原反应，干燥，800℃碳化，即得。本发明能提升锂离子电池的首次效率，比容量及其功率性能。

权利要求

1.一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）按硫酸铜：催化剂：硬碳前驱体质量比为1‑10：0.5‑2：100，将硬碳前驱体添加到1‑

5%硫酸铜及1‑5%催化剂溶液中，过滤，滤渣在80℃、‑0.09Mpa真空干燥24h，得到硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料；

（2）将硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料转移到加热炉A中，同时在加热炉B中加热红磷到

400‑600℃使其升华，通过氩气传输使气体磷传输到加热炉A中，硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料：红磷质量比为100:10‑50，使其沉积在硫酸铜掺杂硬碳前驱体的表面，得到磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料；

（3）将磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料配制成浓度为1‑10wt%的溶液，按磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料：抗坏血酸钠质量比为100：1‑10，在搅拌状态下添加抗坏血酸钠中反应1h,过滤，滤渣去离子水洗涤10次，80℃、‑0.09Mpa真空干燥24h，800℃碳化

6h，得到磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料。

2.如权利要求1所述的一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，其中：所述步骤（1）中的催化剂为氯化铁、氯化钴、氯化镍、硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍中的一种。

3.如权利要求1所述的一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，其中：所述步骤（1）硬碳前驱体为酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、淀粉或椰壳中的一种。

说明书

一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体的说是一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 硬碳是一种难石墨化的无定形碳，材料来源广泛，层间距大，使其具有优异的快充性能、低温性能及其零膨胀，但是由于硬碳自身的多孔结构及其高的比表面积，使其材料具有较低的首次效率(80％)和较低的比容量(300Ah/g)。而提升硬碳材料首次效率的措施之一是进行在其硬碳孔隙中进行填充金属及其氧化物等材料，提升材料的电子导电率和首次效率，并掺杂比容量的磷基、锡基或硅基材料提升材料的比容量，但是存在掺杂材料与基体材料的均匀性偏差或极化偏大造成电压平台偏高等缺陷。比如专利CN202111433770.1公开了一种硬碳复合材料及其制备方法和应用，其复合材料的内核为硬碳，外壳包括碱金属快离子导体、导电剂和无定形碳组成的复合体，本发明通过在硬碳表面包覆碱金属快离子导体复合材料，利用碱金属快离子导体降低硬碳的比表面积及其提升材料的离子导电性，同时利用导电剂高的电子导电性、硬碳多孔结构和多的储锂点，发挥其三者之间的协同效应，提升硬碳材料的比容量、首次效率及其功率性能，虽然材料的离子导电性得到提高，但是电子导电性并未改善，造成其材料的电压平台偏高，使其有效比容量及其功率性能偏差。又知专利公告号CN104979556B公开了一种氮掺杂Cu3P/C‑Cu锂离子电池负极材料及其制备方法，其主要通过化学法将改性的Cu3P直接生长在泡沫铜表面制备出杂Cu3P/C‑Cu复合材料，其碳为无定形碳层间距小，不具备硬碳的性质，且红磷掺杂均匀性差，对提升材料的比容量没有明显改善，同时氮掺杂Cu3P/C‑Cu复合材料的电子阻抗大，功率性能偏差。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种能提升锂离子电池首次效率，比容量及其功率性能的磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法。

[0004] 本发明的一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0005] (1)按硫酸铜：催化剂：硬碳前驱体质量比为1‑10：0.5‑2：100，将硬碳前驱体添加到1‑5％硫酸铜及1‑5％催化剂溶液中，过滤，滤渣在80℃、‑0.09Mpa真空干燥24h，得到硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料；

[0006] (2)将硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料转移到到加热炉A中，同时在加热炉B中加热红磷到400‑600℃使其升华，通过氩气传输使气体磷传输到加热炉A中，硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料：红磷质量比为100:10‑50，使其沉积在硫酸铜掺杂硬碳前驱体的表面，得到磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料；

[0007] (3)将磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料配制成浓度为1‑10wt％的溶液，按磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料：抗坏血酸钠质量比为100：1‑10，在搅拌状态下添加抗坏血酸钠中反应1h,过滤，滤渣去离子水洗涤10次，80℃真空干燥(真空度：‑0.09Mpa)24h，800℃碳化6h，得到磷化铜/磷/碳纳米管包覆硬碳复合材料。

[0008] 上述的一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，其中：所述步骤(1)中的催化剂为氯化铁、氯化钴、氯化镍、硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍中的一种。

[0009] 上述的一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，其中：所述步骤(1)硬碳前驱体为酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、淀粉或椰壳中的一种。

[0010] 本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：采用红磷升华在其硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料进行掺杂，可以使磷均匀的掺杂在硬碳前驱体表面及其孔隙中，使其在之后碳化过程中磷均匀的进行掺杂；同时红磷与磷酸酮均匀混合，为之后在溶液中反应提供条件，即11P+15CuSO4+24H2O＝＝5Cu3P+6H3PO4+15H2SO4，同时添加还原剂加速磷化铜的生成，使其在硬碳表面均匀沉积磷化铜，并碳化得到磷化铜包覆硬碳材料；同时硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料还含有催化剂，催化剂一方面催化硬碳前驱体生成更多的孔洞储锂和加速反应进行，另一方面，在碳化过程中依靠催化剂的作用生成碳纳米管，提升包覆层的电子导电性及其碳纳米管形成网络结构提升包覆层的结构稳定性。本发明通过红磷材料升华均匀掺杂在硬碳前驱体中提升比容量，并采用化学沉淀法在其表面及其孔隙中沉积磷化铜提升电子导电率及其降低其副反应。本发明利用磷化铜降低内阻及其较少孔隙提升首次效率及其功率性能，磷提升材料的比容量，碳纳米管提升材料的电子导电率及其结构稳定性，且制备方法过程可控，材料收率高，应用于锂离子电池具有首次效率高、功率性能优异及其循环性能好等特性。

附图说明

[0011] 图1为实施例1制备出的硬碳复合材料的SEM图。

具体实施方式

[0012] 实施例1

[0013] 一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0014] (1)将100g酚醛树脂添加到100ml，3％硫酸铜溶液中并与33ml，3％氯化铁溶液混合均匀，过滤，80℃真空干燥24h，得到硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料；

[0015] (2)将100g硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料转移到到加热炉A中，同时在加热炉B中加热20g红磷到500℃使并升华，并通过氩气传输使过量的气体磷传输到加热炉A中，使其沉积在硬碳前驱体的表面，得到磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料；

[0016] (3)称取100g磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料添加到2000ml去离子水中配制成浓度为5wt％的溶液，并在搅拌状态下添加5g抗坏血酸钠反应1h，过滤，滤渣用去离子水洗涤10次、80℃真空干燥(真空度：‑0.09Mpa)24h，之后在惰性气氛下800℃碳化6h，得到磷化铜/磷/碳纳米管包覆硬碳复合材料。

[0017] 实施例2

[0018] 一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0019] (1)将100g环氧树脂添加到100ml,1％硫酸铜溶液中，并与50ml，1％氯化钴溶液混合均匀，过滤，80℃真空干燥24h，得到硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料；

[0020] (2)将100g硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料转移到到加热炉A中，同时在加热炉B中加热10g红磷到400℃使并升华，并通过氩气传输使过量的气体磷传输到加热炉A中，使其沉积在硬碳前驱体沉积的表面，得到磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料C；

[0021] (3)将100g磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料C添加到10000ml去离子水中配制成浓度为1wt％的溶液，并在搅拌状态下添加1g抗坏血酸钠反应1h，之后过滤，滤渣用去离子水洗涤10次、80℃真空干燥(真空度：‑0.09Mpa)24h，之后在惰性气氛下800℃碳化6h，得到磷化铜/磷/碳纳米管包覆硬碳复合材料。

[0022] 实施例3

[0023] 一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0024] (1)将100g糠醛树脂添加到100ml，5％硫酸铜溶液中，并与及其20ml，5％氯化镍溶液混合均匀，过滤，80℃真空干燥24h，得到硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料；

[0025] (2)将100g硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料转移到到加热炉A中，同时在加热炉B中加热50g红磷到600℃使并升华，并通过氩气传输使过量的气体磷传输到加热炉A中，使其沉积在硬碳前驱体沉积的表面，得到磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料C；

[0026] (3)将100g磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料C添加到1000ml去离子水中配制成浓度为10wt％的溶液，并在搅拌状态下添加10g抗坏血酸钠进行反应1h，之后过滤，滤渣用去离子水洗涤10次、80℃真空干燥(真空度：‑0.09Mpa)24h，之后在氩气气氛下，800℃碳化6h，得到磷化铜/磷/碳纳米管包覆硬碳复合材料。

[0027] 对比例1：

[0028] 一种磷碳纳米管掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0029] 将100g酚醛树脂，20g红磷，1g氯化铁混合均匀，之后在氩气气氛下升温到800℃碳化得到磷碳纳米管掺杂硬碳复合材料。

[0030] 对比例2：

[0031] 一种磷化铜/磷包覆硬碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0032] 将100g酚醛树脂添加到100ml，3％硫酸铜溶液混合均匀，过滤，80℃真空干燥24h，得到硫酸铜掺杂硬碳前驱体材料；之后称取100g磷掺杂硫酸铜掺杂硬碳前驱体复合材料C添加到2000ml去离子水中配制成浓度为5wt％的溶液，过滤所得滤渣洗涤10次、80℃真空干燥24h(真空度‑0.09Mpa)，之后在惰性气氛下800℃碳化6h，得到磷化铜/磷包覆硬碳复合材料。

[0033] 试验例：

[0034] 1)SEM测试

[0035] 图1为实施例1制备出的石墨复合材料的SEM图片；由图中可以看出，材料呈现类球状结构，大小分布合理，粒径介于(5～15)μm之间。

[0036] 2)物化性能及其扣式电池测试：

[0037] 对实施例1‑3和对比例1‑2制备出的硬碳复合材料进行粒径、振实密度、比表面积、元素分析及其比容量测试。测试方法：GBT‑24533‑2019《锂离子电池石墨类负极材料》。

[0038] 分别将实施例1～3和对比例1‑2中所得锂离子电池负极材料组装成扣式电池A1、A2、A3、B1、B2；其制备方法为：在负极材料中添加粘结剂、导电剂及溶剂，进行搅拌制浆，涂覆在铜箔上，经过烘干、碾压制得。所用粘结剂为LA132粘结剂，导电剂SP，负极材料分别为实施例1～3和对比例1‑2制备出的负极材料，溶剂为二次蒸馏水，其比例为：负极材料：SP：LA132：二次蒸馏水＝95g：1g：4g：220mL，并制备出负极极片；电解液是LiPF6/EC+DEC(体积比1:1，浓度为1.3mol/L)，金属锂片为对电极，隔膜采用聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)或聚乙丙烯(PEP)复合膜，模拟电池装配在充氩气的手套箱中进行，电化学性能在武汉蓝电CT2001A型电池测试仪上进行，充放电电压范围为0.00V至2.0V，充放电速率为0.1C。同时测试其扣式电池的倍率(2C、0.1C)和循环性能(0.2C/0.2C，200次)。

[0039] 测试数据详见表1：

[0040] 表1、实施例与对比例的物化参数比较

[0041]

[0042] 由表1可以看出，实施例1制备出的硬碳复合材料具有高的比容量和首次效率，其原因为材料中掺杂氮磷提升材料的电子导电性及其比容量，同时磷化铜化合物沉积在孔隙中降低其副反应提升首次效率，且磷化铜具有较低的电子阻抗，提升功率性能。

[0043] 3)软包电池

[0044] 以实施例1～3和对比例1‑2制备出的材料作为负极材料，并制备出负极极片，以三元材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)为正极,以LiPF6(溶剂为EC+DEC,体积比1：1，浓度1.3mol/l)为电解液，celegard2400为隔膜制备出2Ah软包电池C1、C2、C3和D1，D2，即得到三元锂电池，测试结果详见表2‑表3.

[0045] 3.1极片吸液能力：

[0046] 表2、负极片的吸液能力

[0047]

[0048] 由表2可知，实施例1～3中负极电极的吸液保液能力均明显优于对比例，分析原因在于：采用实施例具有高的比表面积提升材料的吸液保液能力。

[0049] 3.2倍率性能：

[0050] 之后测试其软包电池的倍率性能，充放电电压范围2.5～4.2V，温度25±3.0℃,以1.0C、3.0C、5.0C、10.0C、20.C进行充电，以1.0C进行放电。

[0051] 表3、实施例与对比例的倍率比较

[0052]

[0053]

[0054] 由表3可知，实施例1～3中软包电池的倍率充电性能明显优于对比例1‑2，即充电时间较短，分析原因在于：电池充电过程中需要电子和锂离子的迁移，而实施例中的负极材料表面包覆碳纳米管提升其快充性能，同时含有电子阻抗低的磷化铜降低阻抗提升倍率性能。