一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法與流程
2023-06-02 00:58:06 5
本發明涉及納米材料與電化學器件技術領域，具體涉及一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法。
背景技術：
1991年索尼公司首次將鋰離子電池進行商業化，從此打開了全球範圍內鋰離子電池材料的研究熱潮。由於鋰離子電池具有能量密度高、重量輕和壽命長等特點，作為行動裝置的電源廣受歡迎。但是，就鋰離子電池本身的能量密度而言，其容量的大小與電極材料種類密切相關。開發高容量的電極材料一直是全球範圍內鋰離子電池工作者的核心工作之一。石墨是當前廣泛應用於鋰離子電池的負極材料，由於其僅有372mAh/g的理論容量，從而制約了電池的能量密度。金屬鋰負極材料具有非常誘人的應用前景，因為其理論容量密度達到3650mAh/g，是傳統石墨電極理論容量的10倍，是建立高能量密度的鋰離子電池系統最佳備選材料之一。
金屬鋰由於其本身非常活潑，在常溫下易與空氣中的水蒸氣、氧氣以及氮氣等發生反應，因此金屬鋰的合成過程條件控制較嚴格。小尺寸金屬鋰顆粒相比於金屬鋰片而言，具有更大的比表面積，更易於與周圍環境中的微量水蒸氣、氧氣以及氮氣發生副反應，因此金屬鋰顆粒的反應溶劑選擇尤其重要。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法，以性質穩定的有機矽油作為反應介質，將活潑金屬鋰片在高溫攪拌下溶解於其中，控制不同的加熱溫度和乳化機攪拌速度，獲得高質量的均一性較高的金屬鋰顆粒，具有方法簡單、易於推廣、產品顆粒尺寸均一性高、電化學容量高等優點。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法，包括如下步驟：
1)將有機矽油置於容器中，在乳化機攪拌下加熱至181℃～251℃；
2)調節乳化機的攪拌速度為7000rpm～9000rpm，並保持有機矽油的溫度在181℃～251℃；
3)向熱有機矽油中加入金屬鋰片，維持有機矽油的溫度在181℃～251℃，通入惰性氣體氬氣，在氬氣保護與攪拌下保溫4h；
4)在乳化機攪拌下自然冷卻至室溫，即得尺寸均一性高的金屬鋰顆粒。
根據以上方案，所述有機矽油為甲基矽油。
根據以上方案，所述加熱採用矽油油浴的方式加熱，所述矽油為二甲基矽油(C2H6OSi)n)。
根據以上方案，所述步驟2)中乳化機的攪拌速度為8000rpm。
根據以上方案，所述有機矽油的溫度為190℃。
根據以上方案，所述尺寸均一性高的金屬鋰顆粒作為鋰離子電池的負極材料。
本發明通過採用有機矽油為惰性溶劑，在特定溫度和乳化機攪拌速率的情況下，通過惰性氣體進行保護並控制反應時間，自然室溫冷卻獲得均一性高的金屬鋰顆粒。
本發明的有益效果是：
本發明方法簡單、原料廉價、可批量生產、易於推廣、綠色環保；本發明製備的產品形貌為球形，顆粒尺寸在10～30μm，均一性高，而且電化學克容量高，理論容量高達3650mAh/g，作為鋰離子電池的負極材料，是構建高能量密度的鋰離子電池的理想材料之一；本發明具有普適性，易於拓展到Na、K、Sn等金屬顆粒等的合成。
附圖說明
圖1是本發明實施例1製備的產品掃描尺度為100微米的SEM圖；
圖2是本發明實施例1製備的產品掃描尺度為10微米的SEM圖；
圖3是本發明實施例1製備的產品TEM圖；
圖4是本發明實施例1製備的產品XRD圖。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明的技術方案進行說明。
實施例1，見圖1至圖4：
本發明提供一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法，包括如下步驟：
1)按照反應重量比稱取甲基矽油300克置於三口燒瓶中，在乳化機攪拌下採用二甲基矽油油浴加熱至190℃；
2)調節乳化機的攪拌速度為8000rpm，並保持甲基矽油加熱溫度穩定在190℃；
3)向三口燒瓶的溶液中加入10克金屬鋰片，並維持加熱溫度在190℃，將氬氣氣體導管接入三口燒瓶，通入氬氣，從三口燒瓶氣體出氣口排出，在氬氣保護與攪拌下保溫4h；
4)在乳化機攪拌下自然冷卻至室溫，即得產品尺寸均一性高的金屬鋰顆粒。
本發明產品金屬鋰顆粒的合成過程原理為：控制乳化機的攪拌速率在8000rpm左右，在高溫和快速攪拌下，金屬鋰片融化並溶解在有機矽油中，保持4小時的高速攪拌，使有機矽油中的金屬鋰完全均勻分散；反應完畢後，自然冷卻至室溫的過程中，金屬鋰顆粒開始凝聚並形成球狀顆粒。
對本實施例產品金屬鋰顆粒進行形貌表徵：從SEM(掃描電子顯微鏡)圖片(附圖1及圖2)可以看出，本實施例產品金屬鋰顆粒呈球形，相貌均一，直徑10～30μm；另外，從TEM(透射電子掃描顯微鏡)(附圖3)可以看出，金屬鋰顆粒總體上呈球形，從形貌細節可看出金屬鋰顆粒表面較粗糙。X射線衍射(XRD)(附圖4)結果表明，本實施例產品金屬鋰顆粒的衍射峰與金屬鋰基本一致。附圖4中以樣品臺、碳酸鋰以及氫氧化鋰衍射峰作為背景進行對比可知，所製備的金屬鋰純度高，雜質含極少。
實施例2：
本發明提供一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法，包括如下步驟：
1)按照反應重量比稱取甲基矽油450克置於三口燒瓶中，在乳化機攪拌下採用二甲基矽油油浴加熱至251℃；
2)調節乳化機的攪拌速度為7000rpm，並保持甲基矽油加熱溫度穩定在251℃；
3)向三口燒瓶的溶液中加入15克金屬鋰片，並維持加熱溫度在251℃，將氬氣氣體導管接入三口燒瓶，通入氬氣，從三口燒瓶氣體出氣口排出，在氬氣保護與攪拌下保溫4h；
4)在乳化機攪拌下自然冷卻至室溫，即得產品尺寸均一性高的金屬鋰顆粒。
實施例3：
本發明提供一種尺寸均一性高的金屬鋰顆粒的製備方法，包括如下步驟：
1)按照反應重量比稱取甲基矽油600克置於三口燒瓶中，在乳化機攪拌下採用二甲基矽油油浴加熱至181℃；
2)調節乳化機的攪拌速度為9000rpm，並保持甲基矽油加熱溫度穩定在181℃；
3)向三口燒瓶的溶液中加入20克金屬鋰片，並維持加熱溫度在181℃，將氬氣氣體導管接入三口燒瓶，通入氬氣，從三口燒瓶氣體出氣口排出，在氬氣保護與攪拌下保溫4h；
4)在乳化機攪拌下自然冷卻至室溫，即得產品尺寸均一性高的金屬鋰顆粒。
以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，儘管上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的相關技術人員應當理解：可以對本發明進行修改或者同等替換，但不脫離本發明精神和範圍的任何修改和局部替換均應涵蓋在本發明的權利要求範圍內。