CN105024071A - 一种Cu2S/Cu锂离子电池负极材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Cu2S/Cu锂离子电池负极材料，该负极材料为三维多孔网状结构，该负极材料的制备方法如下：（1）取适量硫脲置于容器中，然后加适量去离子水充分搅拌得到均匀溶液，然后再加入适量双氧水；（2）将步骤（1）得到的均匀溶液转移到水热反应釜中，并放置若干片泡沫铜，于90~150℃下反应4~10小时后，自然冷却即得到Cu2S/Cu样品。方法简单，可控性强；所制备Cu2S/Cu中Cu2S均匀生长在泡沫铜表面，呈现多孔的网状结构；所制备Cu2S/Cu可直接用作无粘结剂锂离子电池负极，具有较好电化学性能。

Description

一种Cu2S/Cu锂离子电池负极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极，特别涉及一种三维多孔Cu2S/Cu锂离子电池负极及其制备方法，属于电化学电源领域。
技术背景
锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命、环境友好等优越性能，不但广泛应用于便携式电子设备中，而且正在向动力汽车和储能电站等领域不断发展。高性能锂离子电池的研制对于未来电子产品、动力汽车以及储能电站的发展具有举足轻重的意义。
目前，正极材料主要为含锂的过渡族金属氧化物，它们的理论储锂容量较低，在现有正极材料结构基础上大幅度提高它们的容量可能性不大，进一步提高锂离子电池的能量密度只能依赖于负极材料容量的提高；负极材料种类相对匮乏，以石墨类碳材料为主。其理论容量较低(372mAh/g)，已经成为制约锂离子电池能量密度进一步提高的重要因素，而且存在枝晶锂析出带来的电池短路甚至***等安全问题。研发新型、高性能锂离子电池负极材料对于高性能锂离子电池的研制具有重要的意义。在各类负极材料中，转换型负极材料具有理论容量较高(500～1000mAh/g)，合成方法简单，材料制备成本低等优点，成为了一类极具潜力的新型负极材料。转换型材料存在的主要问题在于：材料导电性较差，且循环过程中会材料形貌与结构会发生破坏，导致电化学性能不理想。通过将转换型材料原位生长在导电基体上，能够增强材料与导电基体的接触，显著提高材料的导电性。其次，通过设计特殊的多孔结构，能够增强转换型材料与电解液之间的接触及电化学反应过程，有效缓解材料在循环过程中的体积效应，保持转换型材料的结构完整性。通过原位生长和多孔结构设计能够显著提升转换型材料的电化学性能。此外，原位生长在导电基体上的转换型材料可以直接用作锂离子电池负极，不需使用任何粘结剂和额外的电极制备工艺，能够有效保护转换型材料的特殊形貌与结构，提高电极制备效率，在锂离子电池中具有重要的应用价值。
发明目的
Cu2S是一种典型的转换型负极材料，在锂离子电池中有潜在应用。然而，关于Cu2S/导电基体复合结构的制备及其在锂离子电池中的应用研究开展得较少，关于三维多孔Cu2S/Cu负极的研究尚未见报道。基于以上背景，本专利以泡沫铜为导电基体，发明一种电化学腐蚀方法制备三维多孔Cu2S/Cu复合结构，以其作为锂离子电池负极显示出较高的比容量和优异的循环稳定性。
本发明以硫脲、泡沫铜为反应原料，以双氧水为反应促进剂，通过电化学腐蚀方法制备三维多孔网状Cu2S/Cu无粘结剂锂离子电池负极。
反应原理为：
(NH2)2CS+4H2O→CO2+2NH4 ++2OH-+H2S
H2S+2OH-→2H2O+S2-
H2O2→1/2O2++H2O
S2-+1/2O2+H2O+2Cu→Cu2S+2OH-。
本发明所涉及的Cu2S/Cu负极的原材料是硫脲、双氧水、泡沫铜。材料制备过程中，取一定量的硫脲置于烧杯中，加适量的双氧水和去离子水搅拌均匀，将搅拌均匀的溶液转移至水热反应釜中，然后在水热反应釜中放入若干片一定尺寸的泡沫铜，在90～150℃条件下反应4～10小时，自然冷却即得到Cu2S/Cu样品。
本发明所涉及Cu2S/Cu负极及制备方法具有以下几个显著特点：
(1)电极制备方法简单，可控性强；
(2)所制备Cu2S/Cu中Cu2S均匀生长在泡沫铜表面，呈现多孔的网状结构；
(3)所制备Cu2S/Cu可直接用作无粘结剂锂离子电池负极，具有较好电化学性能。
附图说明
图1实施实例所制备样品的XRD图谱；
图2实施实例所制备样品的SEM图谱；
图3实施实例所制备样品的(a)首次充、放电曲线和(b)循环性能图。
具体实施方式：
实施实例
称取一定量的硫脲置于烧杯中，加适量的双氧水和去离子水搅拌均匀，将搅拌均匀的溶液转移至水热反应釜中，然后在水热反应釜中加入若干片一定尺寸的泡沫铜，于120℃条件下反应5小时，自然冷却即得到Cu2S/Cu样品。将所制备的Cu2S/Cu用去离子水冲洗，并在60℃烘箱中烘干。所制备样品经XRD图谱分析，如图1所示，所有衍射峰与Cu2S(★号，XRD卡片JCPDS，No.23-0961)和Cu(●号，XRD卡片JCPDS，No.04-0836)对应，表明成功制备了Cu2S/Cu复合结构。所制备的样品经SEM表征，由图2可以看出，Cu2S均匀生长在泡沫镍表面，呈现三维多孔网状结构。将实施例1所得Cu2S/Cu按如下方法制成纽扣电池：将制得的Cu2S/Cu样品裁剪成直径为14mm的电极片，在120℃下真空干燥12h。以金属锂片为对电极，Celgard膜为隔膜，溶解有LiPF6(1mol/L)的EC+DMC+DEC(体积比为1:1:1)的溶液为电解液，在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。电池组装完后静置8h，再用CT2001A电池测试***进行恒流充、放电测试，测试电压为3～0.02V。图3表明，实施实例所制备的Cu2S/Cu电极首次充、放电容量分别为408和607mAh/g，100次循环之后充、放电容量均为652和660mAh/g，显示了较高的比容量和优异的循环稳定性能。

Claims (2)

1. 一种Cu2S/Cu锂离子电池负极材料，其特征在于，该负极材料为三维多孔网状结构，该负极材料的制备方法如下：
（1）取适量硫脲置于容器中，然后加适量去离子水充分搅拌得到均匀溶液，然后再加入适量双氧水；
（2）将步骤（1）得到的均匀溶液转移到水热反应釜中，并放置若干片泡沫铜，于90~150℃下反应4~10小时后，自然冷却即得到Cu2S/Cu样品。
2. 根据权利要求1所述的Cu2S/Cu锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，硫脲、双氧水、泡沫铜的质量比为2~5:10~15:20~50。
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