本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法。
背景技术：
微流控芯片(microfluidicchip)是指把常规实验室基本操作单元集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，从而控制流体贯穿整个系统，以取代常规实验室的各种功能的一种技术。微流控技术具有以下明显优势：体系封闭，试剂消耗量少，反应条件稳定，易于控制；液滴生成操作简单，无需引入外界作用力，可一步合成目标尺寸颗粒；液滴单分散性好、大小均一。
锂电池行业中材料需要形貌的改变，以适应不同外形电池的生产和组装，而目前并未出现有关微流控技术在锂电行业中应用的研究。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，锂离子电池材料采用微流控芯片与水热法、凝胶法、模板法、气相沉淀法中的一个或两个生产方法耦合制备而成。
进一步：采用仅包含有一个连续流体通道的第一微流控芯片与水热法耦合制备锂离子电池材料中实心碳棒的方法，包括以下步骤：
步骤1a：将葡萄糖溶于去离子水中，制备溶质含量为5％-25％的溶液a；
步骤2a：将溶液a从第一微流控芯片的第一分散流体通道的输入口注入，将硅油从第一微流控芯片的第一连续流体通道的输入口注入；以使第一微流控芯片的第一液滴形成通道内形成单层液滴，第一微流控芯片的第一液滴形貌控制通道内形成单层棒状液滴；
步骤3a：在第一液滴形貌控制通道处，用紫外放射源对形成的单层棒状液滴进行加热，以使其形成胶粒；
步骤4a：在1000℃-1500℃的温度下，对胶粒进行烧结，即制得锂离子电池材料中的实心碳棒。
进一步：第一分散流体通道的输出口和第一连续流体通道的输出口在第一液滴形成通道的输入口处交汇；第一液滴形成通道的输出口与第一液滴形貌控制通道的输入口相连；第一液滴形貌控制通道的内径小于第一液滴形成通道的内径。
进一步：第一分散流体通道、第一连续流体通道和第一液滴形成通道呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构。
进一步：步骤4a中在对胶粒进行烧结之前，需用洗涤剂对胶粒进行洗涤。
进一步：采用包含有两个连续流体通道的第二微流控芯片与水热法耦合制备锂离子电池材料中空心碳棒的方法，包括以下步骤：
步骤1b：将葡萄糖溶于去离子水中，制备溶质含量为5％-25％的溶液a；
步骤2b：将石油醚从第二微流控芯片的第二分散流体通道的输入口注入，将溶液a从第二微流控芯片的第二连续流体通道的输入口注入，将硅油从第二微流控芯片的第三连续流体通道的输入口注入；以使第二微流控芯片的第二液滴形成通道内形成单层液滴，第二微流控芯片的第三液滴形成通道内形成双层液滴，第二微流控芯片的第二液滴形貌控制通道内形成双层棒状液滴；
步骤3b：在第二液滴形貌控制通道处，用紫外放射源对形成的双层棒状液滴进行加热，以使其形成胶粒；
步骤4b：在80℃-120℃的温度下，对胶粒进行加热以去除胶粒内部的油相物质；
步骤5b：在1000℃-1500℃的温度下，对胶粒进行烧结，即制得锂离子电池材料中的空心碳棒。
进一步：第二分散流体通道的输出口和第二连续流体通道的输出口在第二液滴形成通道的输入口处交汇；第三连续流体通道的输出口和第二液滴形成通道的输出口在第三液滴形成通道的输入口处交汇；第三液滴形成通道的输出口与第二液滴形貌控制通道的输入口相连；第二液滴形成通道的内径和第二液滴形貌控制通道的内径均小于第三液滴形成通道的内径。
进一步：第二分散流体通道、第二连续流体通道和第二液滴形成通道呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构；第二液滴形成通道、第三连续流体通道和第三液滴形成通道呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构。
进一步：第二分散流体通道、第二连续流体通道、第三连续流体通道、第二液滴形成通道、第三液滴形成通道和第二液滴形貌控制通道的内径范围均为5μm-500μm。
进一步：第二分散流体通道内溶液的流速为0.1μl/h-100μl/h，第二连续流体通道和第三连续流体通道内溶液的流速均为10μl/h-800μl/h，且第三连续流体通道内溶液的流速和第二连续流体通道内溶液的流速均大于第二分散流体通道内溶液的流速。
本发明的有益效果是：利用微流控技术来制备锂电池行业原材料，以期得到尺寸均匀、品质优良、形貌各异的纳米材料，扩大了微流控技术的应用领域。
附图说明
图1为本发明在制备锂离子电池材料中的实心碳棒时所选用的流聚焦结构的第一微流控芯片的立体图；
图2为第一微流控芯片的原理图；
图3为采用第一微流控芯片与水热法耦合制备锂离子电池材料中的实心碳棒的sem图；
图4为本发明在制备锂离子电池材料中的空心碳棒时所选用的包含有两个相串联的流聚焦结构的第二微流控芯片的立体图；
图5为第二微流控芯片的原理图；
图6为采用第二微流控芯片与水热法耦合制备锂离子电池材料中的空心碳棒的tem图。
图中：1为第一微流控芯片、11为第一分散流体通道、12为第一连续流体通道、13为第一液滴形成通道、14为第一液滴形貌控制通道、2为第二微流控芯片、21为第二分散流体通道、22为第二连续流体通道、23为第三连续流体通道、24为第二液滴形成通道、25为第三液滴形成通道、26为第二液滴形貌控制通道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，锂离子电池材料采用微流控芯片与水热法、凝胶法、模板法、气相沉淀法中的一个或两个生产方法耦合制备而成。
水热法中，碳源可为石油沥青、煤沥青、蔗糖、葡萄糖、淀粉、纤维素、柠檬酸钠、酚醛树脂和环氧树脂等有机碳源。
凝胶法中，凝胶剂可为间苯二酚和甲醛等可失水或失醇缩聚的有机物，以合成酚醛树脂、环氧树脂等碳源。
模板法中，模板剂可为低沸点不溶于水的有机物，也可以为气相有机物。
气相沉积法中，连续相为有机气体。
其中：本发明的一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，可用于制备锂离子电池的空心纳米球正极材料或碳包覆的锂离子电池的电极材料。
如图1至图3所示，实施例一、采用仅包含有一个连续流体通道的第一微流控芯片1与水热法耦合制备锂离子电池材料中实心碳棒的方法，包括以下步骤：
步骤1a：将葡萄糖溶于去离子水中，制备溶质含量为10％的溶液a；溶质含量为5％-25％之间均可。
步骤2a：分别利用注射泵将溶液a以20μl/h的流速从第一微流控芯片1的第一分散流体通道11的输入口注入，将硅油以100μl/h的流速从第一微流控芯片1的第一连续流体通道12的输入口注入；以使第一微流控芯片1的第一液滴形成通道13内形成单层液滴，第一微流控芯片1的第一液滴形貌控制通道14内形成单层棒状液滴；
其中，第一分散流体通道11的输出口和第一连续流体通道12的输出口在第一液滴形成通道13的输入口处交汇；第一液滴形成通道13的输出口与第一液滴形貌控制通道14的输入口相连；第一液滴形貌控制通道14的内径小于第一液滴形成通道13的内径。
其中，第一分散流体通道11内溶液的流速在0.1μl/h-100μl/h之间均可，第一连续流体通道12内溶液的流速在10μl/h-800μl/h之间均可，但需保证第一连续流体通道12内溶液的流速大于第一分散流体通道11内溶液的流速。
其中，第一分散流体通道11、第一连续流体通道12、第一液滴形成通道13、第一液滴形貌控制通道14内径范围均为5μm-500μm；第一分散流体通道11的内径、第一连续流体通道12的内径和第一液滴形成通道13的内径优选为相等。本实施例中，第一分散流体通道11、第一连续流体通道12和第一液滴形成通道13的内径均为70μm，第一液滴形貌控制通道14的内径为40μm。
其中，第一分散流体通道11、第一连续流体通道12和第一液滴形成通道13呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构。本实施例中，选用流聚焦结构。
步骤3a：在第一液滴形貌控制通道14处，用紫外放射源对形成的单层棒状液滴进行加热，以使其在短时间内形成胶粒，并对胶粒进行收集；
步骤4a：在1500℃的温度下，对胶粒进行烧结，即制得锂离子电池材料中的实心碳棒。烧结时的温度在1000℃-1500℃之间均可。
其中，在对胶粒进行烧结之前，需用洗涤剂对胶粒进行洗涤。洗涤剂可选用水、醇类等洗涤剂。
其中，第一微流控芯片1采用透明材料制成，以便于观察。
如图3所示，本发明制备的锂离子电池材料中的实心碳棒的尺寸均匀、分散性好。
如图4至图6所示，实施例二、采用包含有两个连续流体通道的第二微流控芯片2与水热法耦合制备锂离子电池材料中空心碳棒的方法，包括以下步骤：
步骤1b：将葡萄糖溶于去离子水中，制备溶质含量为10％的溶液a；溶质含量为5％-25％之间均可。
步骤2b：分别利用注射泵将石油醚以10μl/h的流速从第二微流控芯片2的第二分散流体通道21的输入口注入，将溶液a以80μl/h的流速从第二微流控芯片2的第二连续流体通道22的输入口注入，将硅油以300μl/h的流速从第二微流控芯片2的第三连续流体通道23的输入口注入；以使第二微流控芯片2的第二液滴形成通道24内形成单层液滴，第二微流控芯片2的第三液滴形成通道25内形成双层液滴，第二微流控芯片2的第二液滴形貌控制通道26内形成双层棒状液滴；
其中，第二分散流体通道21的输出口和第二连续流体通道22的输出口在第二液滴形成通道24的输入口处交汇；第三连续流体通道23的输出口和第二液滴形成通道24的输出口在第三液滴形成通道25的输入口处交汇；第三液滴形成通道25的输出口与第二液滴形貌控制通道26的输入口相连；第二液滴形成通道24的内径和第二液滴形貌控制通道26的内径均小于第三液滴形成通道25的内径。
其中，第二分散流体通道21内溶液的流速在0.1μl/h-100μl/h之间均可，第二连续流体通道22和第三连续流体通道23内溶液的流速在10μl/h-800μl/h之间均可，但需保证第三连续流体通道23内溶液的流速和第二连续流体通道22内溶液的流速均大于第二分散流体通道21内溶液的流速。
其中，第二分散流体通道21、第二连续流体通道22、第三连续流体通道23、第二液滴形成通道24、第三液滴形成通道25和第二液滴形貌控制通道26的内径范围均为5μm-500μm；第二分散流体通道21的内径、第二连续流体通道22的内径和第二液滴形成通道24的内径优选为相等；第三连续流体通道23的内径和第三液滴形成通道25的内径优选为相等。本实施例中，第二分散流体通道21、第二连续流体通道22、第二液滴形成通道24的内径均为60μm，第三连续流体通道23和第三液滴形成通道25的内径均为100μm，第二液滴形貌控制通道26的内径为40μm。
其中，第二分散流体通道21、第二连续流体通道22和第二液滴形成通道24呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构；第二液滴形成通道24、第三连续流体通道23和第三液滴形成通道25呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构。本实施例中，选用相串联的两个流聚焦结构。
步骤3b：在第二液滴形貌控制通道26处，用紫外放射源对形成的双层棒状液滴进行加热，以使其在短时间内形成胶粒，并对胶粒进行收集；
步骤4b：在100℃的温度下，对胶粒进行加热以去除胶粒内部的油相物质；加热时的温度在80℃-120℃之间均可。
步骤5b：在1500℃的温度下，对胶粒进行烧结，即制得锂离子电池材料中的空心碳棒。烧结时的温度在1000℃-1500℃之间均可。
其中，微流控芯片采用透明材料制成，以便于观察。
如图6所示，本发明制备的锂离子电池材料中的空心碳棒的尺寸均匀、分散性好。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述锂离子电池材料采用微流控芯片与水热法、凝胶法、模板法、气相沉淀法中的一个或两个生产方法耦合制备而成。
2.根据权利要求1所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：采用仅包含有一个连续流体通道的第一微流控芯片(1)与水热法耦合制备锂离子电池材料中实心碳棒的方法，包括以下步骤：
步骤1a：将葡萄糖溶于去离子水中，制备溶质含量为5％-25％的溶液a；
步骤2a：将溶液a从第一微流控芯片(1)的第一分散流体通道(11)的输入口注入，将硅油从第一微流控芯片(1)的第一连续流体通道(12)的输入口注入；以使第一微流控芯片(1)的第一液滴形成通道(13)内形成单层液滴，第一微流控芯片(1)的第一液滴形貌控制通道(14)内形成单层棒状液滴；
步骤3a：在所述第一液滴形貌控制通道(14)处，用紫外放射源对形成的单层棒状液滴进行加热，以使其形成胶粒；
步骤4a：在1000℃-1500℃的温度下，对胶粒进行烧结，即制得锂离子电池材料中的实心碳棒。
3.根据权利要求2所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述第一分散流体通道(11)的输出口和所述第一连续流体通道(12)的输出口在所述第一液滴形成通道(13)的输入口处交汇；所述第一液滴形成通道(13)的输出口与所述第一液滴形貌控制通道(14)的输入口相连；所述第一液滴形貌控制通道(14)的内径小于所述第一液滴形成通道(13)的内径。
4.根据权利要求2所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述第一分散流体通道(11)、所述第一连续流体通道(12)和所述第一液滴形成通道(13)呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构。
5.根据权利要求2所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述步骤4a中在对胶粒进行烧结之前，需用洗涤剂对胶粒进行洗涤。
6.根据权利要求1所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：采用包含有两个连续流体通道的第二微流控芯片(2)与水热法耦合制备锂离子电池材料中空心碳棒的方法，包括以下步骤：
步骤1b：将葡萄糖溶于去离子水中，制备溶质含量为5％-25％的溶液a；
步骤2b：将石油醚从所述第二微流控芯片(2)的第二分散流体通道(21)的输入口注入，将溶液a从所述第二微流控芯片(2)的第二连续流体通道(22)的输入口注入，将硅油从所述第二微流控芯片(2)的第三连续流体通道(23)的输入口注入；以使所述第二微流控芯片(2)的第二液滴形成通道(24)内形成单层液滴，所述第二微流控芯片(2)的第三液滴形成通道(25)内形成双层液滴，所述第二微流控芯片(2)的第二液滴形貌控制通道(26)内形成双层棒状液滴；
步骤3b：在所述第二液滴形貌控制通道(26)处，用紫外放射源对形成的双层棒状液滴进行加热，以使其形成胶粒；
步骤4b：在80℃-120℃的温度下，对胶粒进行加热以去除胶粒内部的油相物质；
步骤5b：在1000℃-1500℃的温度下，对胶粒进行烧结，即制得锂离子电池材料中的空心碳棒。
7.根据权利要求6所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述第二分散流体通道(21)的输出口和所述第二连续流体通道(22)的输出口在所述第二液滴形成通道(24)的输入口处交汇；所述第三连续流体通道(23)的输出口和所述第二液滴形成通道(24)的输出口在所述第三液滴形成通道(25)的输入口处交汇；所述第三液滴形成通道(25)的输出口与所述第二液滴形貌控制通道(26)的输入口相连；所述第二液滴形成通道(24)的内径和所述第二液滴形貌控制通道(26)的内径均小于所述第三液滴形成通道(25)的内径。
8.根据权利要求7所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述第二分散流体通道(21)、所述第二连续流体通道(22)和所述第二液滴形成通道(24)呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构；所述第二液滴形成通道(24)、所述第三连续流体通道(23)和所述第三液滴形成通道(25)呈t型结构、y型结构、流聚焦结构或共聚焦结构。
9.根据权利要求6所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述第二分散流体通道(21)、所述第二连续流体通道(22)、所述第三连续流体通道(23)、所述第二液滴形成通道(24)、所述第三液滴形成通道(25)和所述第二液滴形貌控制通道(26)的内径范围均为5μm-500μm。
10.根据权利要求6所述一种利用微流控技术制备锂离子电池材料的方法，其特征在于：所述第二分散流体通道(21)内溶液的流速为0.1μl/h-100μl/h，所述第二连续流体通道(22)和所述第三连续流体通道(23)内溶液的流速均为10μl/h-800μl/h，且所述第三连续流体通道(23)内溶液的流速和所述第二连续流体通道(22)内溶液的流速均大于所述第二分散流体通道(21)内溶液的流速。
技术总结