一種快速包裹和釋放鋰元素的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速包裹和釋放鋰元素的方法，在真空環(huán)境內(nèi)，使用電子束輻照鋰化合物結(jié)晶，具體為鋰納米結(jié)構(gòu)的鋰化合物晶體。本發(fā)明提供的快速包裹和釋放鋰元素的方法，能夠快速實(shí)現(xiàn)鋰元素的包裹與釋放，能夠用于改進(jìn)鋰離子電池的快速充電特性和高效率的放電過程，具有重復(fù)性好、快速、可控、適合大面積使用等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種快速包裹和釋放鋰元素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速包裹和釋放鋰元素的方法，涉及材料學(xué)、信息電子學(xué)、先進(jìn)微納材料制備和鋰離子電池能量存儲等方面的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)，能源和環(huán)境兩大問題逐步成為了人類社會的兩大熱點(diǎn)問題。其中，清潔能源的獲得和存儲成為現(xiàn)階段相關(guān)領(lǐng)域最受關(guān)注的議題之一。隨著近年來電子、信息技術(shù)的發(fā)展，對能量的高密度，可靠、大容量存儲成為能源、材料、電子等相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題之一。作為目前最受關(guān)注的電能存儲方法，鋰離子蓄電池已經(jīng)極大影響了人們的生活。最典型的比如，使用了鋰離子電子的各種便攜式電子設(shè)備(比如手機(jī)和電腦)以及交通工具(比如電動車和電動汽車)已經(jīng)為人們的日常生活提供了極大方便。雖然鋰離子電池仍然被認(rèn)為存在各種安全隱患，但是研究的深入也正在逐步的完善其各個(gè)方面的性能。著眼于未來的電池技術(shù)，研究大容量、快速充電、長壽命、適用于不同環(huán)境條件的高性能鋰離子電池是目前相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題。
[0003]在鋰離子電池中，鋰元素通常以單質(zhì)或化合物的形式同時(shí)存在于電池的兩極。鋰元素單質(zhì)和化合物狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程伴隨著電子的轉(zhuǎn)移過程。這一過程就對應(yīng)于電池的充放電過程。目前的鋰電池普遍使用鈷酸鋰和磷酸鐵鋰為正極活性材料。鋰離子在這些材料中的嵌入和脫出取決于外電路的電壓。從微觀層面來講，這一過程伴隨的是鋰元素被包裹形成化合物和釋放為單質(zhì)的兩個(gè)相反過程。對這一過程的研究和控制是獲得高性能鋰離子電池的關(guān)鍵。
[0004]納米技術(shù)著眼于在納米尺度制備和研究物質(zhì)的性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)最終使用納米材料構(gòu)建宏觀尺度材料并取得優(yōu)良的性質(zhì)?，F(xiàn)有的很多研究都表明，使用納米材料作為構(gòu)造鋰離子電池的電極可以提升電池的綜合性能，有利于獲得高容量，快速充電和長壽命的鋰離子電池。因此，在納米尺度實(shí)現(xiàn)鋰離子的高效、快速的包裹和釋放是一種有效提升電池性能的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:現(xiàn)階段，雖然鋰電池廣泛使用了鋰化合物納米材料來作為鋰離子電池的電極，但是與充放電過程直接相關(guān)的鋰離子包裹和釋放過程均受到所使用的電極材料類型和微觀結(jié)構(gòu)的限制，對于某些需要快速充放電的應(yīng)用場合，目前的技術(shù)可能存在瓶頸。為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，特別是為了獲得能夠快速充放電的的鋰離子電池技術(shù)，本發(fā)明提供一種在高真空環(huán)境下利用電子束輻照的方法快速包裹和釋放鋰元素的方法，以實(shí)現(xiàn)多種不同形態(tài)的鋰納米結(jié)構(gòu)和鋰化合物納米結(jié)構(gòu)的快速轉(zhuǎn)化。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種快速包裹和釋放鋰元素的方法，在真空環(huán)境內(nèi)，使用電子束輻照鋰化合物結(jié)晶，具體為鋰納米結(jié)構(gòu)的鋰化合物晶體。[0008]優(yōu)選的，所述鋰化合物為氯化鋰。
[0009]優(yōu)選的，所述電子束輻照的條件為:電子束的強(qiáng)度大于102A/cm2/s，輻照溫度為20~30°C，真空腔的真空度為2.0Χ10-4~2.0Xl(T5Pa。
[0010]該方法具體包括如下步驟:
[0011](1)將鋰化合物配置成水溶液，攪拌均勻后密封備用；
[0012](2)首先將樣品浸入水溶液中，使鋰化合物附著在樣品表面；對樣品進(jìn)行干燥處理，使氯化鋰結(jié)晶析出；
[0013](3)首先氯化鋰結(jié)晶置于透射電子顯微鏡的樣品臺中；然后將氯化鋰結(jié)晶隨同樣品臺一同置于透射電子顯微鏡的真空腔內(nèi)靜置，待真空腔內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后，開啟電子束，實(shí)現(xiàn)鋰元素的快速包裹于釋放。
[0014]優(yōu)選的，所述步驟(1)中，水溶液的濃度為8~12% ;更為優(yōu)選的，水溶液的濃度為10%。
[0015]優(yōu)選的，所述步驟(2)中，樣品為800~1200目的銅網(wǎng)；更為優(yōu)選的，樣品為1000目的銅網(wǎng)。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟(3)中，將氯化鋰結(jié)晶隨同樣品臺一同置于透射電子顯微鏡的真空腔內(nèi)，靜置8~12min。
[0017]有益效果:本發(fā)明提供的快速包裹和釋放鋰元素的方法，能夠快速實(shí)現(xiàn)鋰元素的包裹與釋放，能夠用于改進(jìn)鋰離子電池的快速充電特性和高效率的放電過程，具有重復(fù)性好、快速、可控、適合大面積使用等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為氯化鋰晶體受到電子束輻照后在輻照區(qū)域出現(xiàn)不同的形貌；
[0019]圖2為輻照區(qū)域的電子衍射圖譜；
[0020]圖3為進(jìn)一步輻照氯化鋰晶體后在材料表面形成許多的核殼結(jié)構(gòu)的表面氯化鋰包裹的鋰納米顆粒；
[0021]圖4為一個(gè)鋰納米顆粒的快速生長和表面包裹過程；
[0022]圖5為一個(gè)鋰納米顆粒從氯化鋰包裹中釋放的過程。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0024]如圖1所示為一種快速包裹和釋放鋰元素的方法，在真空環(huán)境內(nèi)，使用電子束輻照作為鋰離子電池電極活性材料的鋰化合物結(jié)晶。具體包括如下步驟:
[0025]( I)將氯化鋰配置成濃度為10%的水溶液，攪拌均勻后密封備用；
[0026](2)以1000目的銅網(wǎng)作為襯底，首先將銅網(wǎng)浸入步驟(1)得到的水溶液中，提拉出銅網(wǎng)，氯化鋰溶液會殘留在銅網(wǎng)表面，將銅網(wǎng)置于空氣中初步干燥2~lOmin，表面的氯化鋰液滴中的水分會逐漸揮發(fā)，液滴尺寸變小，氯化鋰液滴逐漸濃縮；由于氯化鋰的強(qiáng)吸濕性，在潮濕的空氣中氯化鋰液滴不會干燥結(jié)晶，為此將銅網(wǎng)置于干燥器中進(jìn)行深度干燥，隨后可以看到液滴消失，銅網(wǎng)表面出現(xiàn)氯化鋰結(jié)晶；
[0027](3)首先將氯化鋰結(jié)晶快速置于透射電子顯微鏡的樣品臺中；然后將氯化鋰結(jié)晶隨同樣品臺一同置于透射電子顯微鏡的真空腔內(nèi)靜置IOmin左右，待真空腔內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后，開啟電子束，實(shí)現(xiàn)鋰元素的快速包裹于釋放；同時(shí)經(jīng)電子束輻照的氯化鋰能夠產(chǎn)生出多種納米結(jié)構(gòu)；其中，電子束輻照的條件為:電子束的強(qiáng)度大于102A/cm2/s，輻照溫度為室溫左右，真空腔的真空度為2.0X10—4?2.0X10_5Pa。
[0028]對上述方法過程進(jìn)行觀察和分析，結(jié)果如圖1至圖5所示，下面就各附圖加以說明。
[0029]圖1給出了氯化鋰晶體受到電子束輻照后在輻照區(qū)域出現(xiàn)不同的形貌；圖上兩個(gè)圓圈標(biāo)示出的區(qū)域?yàn)槭艿诫娮邮椪蘸舐然嚲w產(chǎn)生分解，其結(jié)構(gòu)與未輻照區(qū)域產(chǎn)生差別。
[0030]圖2為輻照區(qū)域的電子衍射圖譜；對衍射圖進(jìn)行標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)在輻照區(qū)域除了原來的氯化鋰晶體成分，還產(chǎn)生了鋰元素單質(zhì)。
[0031]進(jìn)一步輻照氯化鋰晶體后看到氯化鋰材料快速分解，在材料表面形成許多圖3所示的核殼結(jié)構(gòu)的物質(zhì)；分析這種結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)為表面氯化鋰包裹的鋰納米顆粒，顆粒的大小為20-100納米，呈圓球狀。
[0032]圖4給出了一個(gè)鋰納米顆粒的快速生長和表面包裹過程。(a)中的虛線標(biāo)示出一個(gè)表面干凈的核殼結(jié)構(gòu)；(b)中的箭頭指示出鋰納米顆粒的成核位置；(c)?(h)給出了鋰金屬的生長過程；(i)?(O)顯示了鋰納米顆粒的包裹過程。整個(gè)過程在I秒的時(shí)間內(nèi)完成；其中:鋰納米顆粒的生長在約0.1內(nèi)完成，形成的鋰納米顆粒的尺寸約為40納米；鋰納米顆粒表面包裹氯化鋰約在0.3秒內(nèi)完成，在鋰納米顆粒的表面形成了厚度約為15納米的氯化鋰層。
[0033]圖5顯示了一個(gè)鋰納米顆粒從氯化鋰包裹中釋放的過程。(a)中箭頭指示的為初始的核殼結(jié)構(gòu)；(b)中底部的箭頭顯示了一個(gè)鋰納米顆粒從核殼結(jié)構(gòu)的一側(cè)開始釋放；(C)?(h)顯示了底部的鋰納米顆?？焖籴尫砰L大，以及伴隨著的初始的核殼結(jié)構(gòu)的坍塌的過程。整個(gè)過程在0.1秒以內(nèi)完成。
[0034]以上結(jié)果顯示了在電子束的輻照下鋰元素可以實(shí)現(xiàn)快速的包裹和釋放。這一過程類似于鋰離子電子中的脫鋰和嵌鋰的過程。這表明了，使用電子束輻照的方法可以實(shí)現(xiàn)快速的鋰電子的充電和放電，從而提升電池的效能。同時(shí)利用掃描電子束的方法可以實(shí)現(xiàn)大面積，批量化的制造。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:在真空環(huán)境內(nèi)，使用電子束輻照鋰化合物結(jié)晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述鋰化合物為氯化鋰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述電子束輻照的條件為:電子束的強(qiáng)度大于102A/cm2/s，輻照溫度為20?30°C，真空腔的真空度為2.0XlO-4 ?2.0X10_5Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:具體包括如下步驟: (1)將鋰化合物配置成水溶液，攪拌均勻后密封備用； (2)首先將樣品浸入水溶液中，使鋰化合物附著在樣品表面；對樣品進(jìn)行干燥處理，使氯化鋰結(jié)晶析出； (3)首先氯化鋰結(jié)晶置于透射電子顯微鏡的樣品臺中；然后將氯化鋰結(jié)晶隨同樣品臺一同置于透射電子顯微鏡的真空腔內(nèi)靜置，待真空腔內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后，開啟電子束，實(shí)現(xiàn)鋰元素的快速包裹于釋放。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述步驟(I)中，水溶液的濃度為8?12%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述步驟(I)中，水溶液的濃度為10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述步驟(2)中，樣品為800?1200目的銅網(wǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述步驟(2)中，樣品為1000目的銅網(wǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速包裹和釋放鋰元素的方法，其特征在于:所述步驟(3)中，將氯化鋰結(jié)晶隨同樣品臺一同置于透射電子顯微鏡的真空腔內(nèi)，靜置8?12min。
【文檔編號】H01J37/26GK103943852SQ201410079521
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】萬能, 萬樹, 孫立濤 申請人:東南大學(xué)