CN107732172B - 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法,属于锂离子电池技术领域。其制备工艺流程是以硫酸铜(CuSO4),柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮,氢氧化钠和抗坏血酸为原材料,先制备Cu2O纳米立方体,再通过钛酸异丙酯水解法在Cu2O表面包覆纳米TiO2,获得纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体材料。本发明材料的合成工艺简单,反应条件温和,对环境无污染,成本较低,可以大量生产。本发明的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体作为锂离子电池负极材料具有显著改善的循环稳定性和充放电性能,适合锂离子电池的产业化应用。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,特别涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、比容量高、无记忆效应、环境友好等优点,已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等便携式电子设备和电动汽车、电动自行车、电动工具等大型电子设备。近年来智能电子设备发展迅猛,对电源提出了更高要求,迫切需要电源具有高的能量密度和功率密度,长的循环寿命,以及良好的使用性能。当前的商品锂离子电池已不能完全满足市场需求,通过开发高性能电极和电极材料提高锂离子电池的电化学性能,推动锂离子电池进一步发展,就成为十分重要的工作。
目前商品锂离子电池的负极材料主要是石墨化碳基材料。石墨化程度很高的碳材料,表面各向异性较大,首次充电时形成的钝化膜疏松多孔,不能有效阻挡溶剂化锂离子的共嵌入,会造成石墨层的崩溃。此外,锂离子沿石墨微晶ab轴平面的扩散速度比c轴方向大得多,而锂的***是在石墨层边界进行的,这导致锂离子在其中扩散存在很大的动力学障碍,不能进行快速充放电。因此高性能锂离子电池负极材料的研究和开发受到各国研究者的广泛重视。
自2000年J. M. Tarascon首次在Nature上报道了纳米过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料的优异性能后,3d过渡金属氧化物(MxOy,M = Mn,Fe,Co,Ni,Cu)就成为锂电池负极材料的重要候选者。在上述负极材料中,CuO的理论容量为674 mAh g-1,为商用碳负极材料的2倍左右,Cu2O的理论容量为372 mAh g-1。但CuO和Cu2O的密度为碳基材料的三倍左右,从而具有更大的体积储锂密度,并且铜氧化物(CuO、Cu2O或两者的混合物)无毒无害、易于合成,容易存储,因而其作为锂离子电池负极材料极具发展潜力和应用前景,正受到越来越高的重视。
对铜的氧化物(氧化亚铜,氧化铜)来说,循环稳定性不足是影响它在锂电池应用的主要问题之一。原因是他们(也包括其他过渡金属氧化物)与锂反应后,会发生较大的体积膨胀,产生严重的内应力,使活性材料在循环过程中逐渐粉化,不仅与集流体等失去电接触,还会使纳米过渡金属粒子发生团聚形成大颗粒而丧失电化学活性。因此,提高铜氧化物(CuO、Cu2O)的循环稳定性就成为推动该材料进一步应用的关键。常用的方法主要有纳米化、复合及制备薄膜电极等。
公开号为CN102394305B的中国专利文献公开了一种泡沫铜氧化物/铜锂离子电池负极及其制备方法,主要是在集流体泡沫铜表面原位生长层状的铜氧化物,通过原位生长,纳米结构与薄膜结构来改善铜氧化物的锂电池性能,但是这一材料结构并没有解决充放电反应中铜氧化物体积膨胀与收缩及内应力的问题,对循环稳定性的改善作用有限。
发明内容
本发明的目的是为提高Cu2O作为锂离子电池负极材料的循环稳定性和充放电性能,而提出一种锂离子电池负极材料及其制备方法。
本发明所述的锂离子电池负极材料是纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体,Cu2O呈纳米立方体结构,尺寸10-500 nm,在其表面包覆一层非晶态TiO2,TiO2层厚10-100 nm。
本发明所述的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料的制备方法,其步骤如下:
将硫酸铜(CuSO4),柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)先后溶入去离子水中,搅拌形成均匀水溶液,CuSO4浓度0.1-5 g L-1,柠檬酸三钠浓度0.1-3 g L-1,PVP浓度1-40 gL-1。在搅拌条件下,逐滴加入NaOH水溶液(浓度70 – 100 g L-1),反应30 min后,继续滴加抗坏血酸溶液(浓度50-150 g L-1),搅拌反应5-30 min,停止搅拌,静置5-20 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,保存于无水乙醇中。
取Cu2O的无水乙醇溶液(浓度2 g L-1),加入去离子水,搅拌均匀,然后逐滴缓慢加入钛酸异丙酯,搅拌反应2-5 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,70℃真空干燥,得到纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料。
采用本发明的负极材料制备锂离子电池负极:分别称取质量比为8:1:1的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料、乙炔黑导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂,将PVDF溶于适量的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,搅拌直至完全溶解,再将研磨均匀的活性粉末和乙炔黑导电剂加入上述溶液中,继续搅拌以保证浆料混合均匀。然后将浆料均匀涂覆在圆片状的泡沫镍集流体上(直径为12 mm),置于真空烘箱内80°C烘干,最后在压片机上用10 MPa的压强压平,即制得电极片。
在充满高纯氩气的手套箱内将制备的电池负极与锂片、隔膜组成CR2025纽扣型锂离子电池。电解液为1 mol L-1 LiPF6的EC/DMC电解液。采用新威电池测试***测试锂离子电池的充放电性能与循环稳定性。本发明计算TiO2包覆Cu2O材料的比容量是包括了TiO2与Cu2O的总质量。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)Cu2O纳米立方体体积小,在充放电反应中绝对体积变化小,可减小材料内应力,对提高循环稳定性有积极作用。
(2)纳米Cu2O尺寸小,比表面积大,能为电化学反应提供更多的位置,有利于减小表面电阻和电荷转移电阻,从而提高电化学反应的活性,获得高的容量与倍率性能,即提高Cu2O的锂电池性能。
(3)与碳材料及Cu2O相比,纳米TiO2有着更安全的工作电压范围,充放电过程中体积膨胀十分小,结构稳定,循环稳定性优良,将纳米TiO2包覆到Cu2O纳米立方体表面,能有效抵御Cu2O在充放电反应中的体积膨胀与收缩,可显著提高材料的结构稳定性,进而改善循环稳定性。
(4)TiO2的理论容量接近Cu2O,因此TiO2的包覆不会降低复合材料整体的比容量,这是包覆碳等其他材料不具有的优点。
(5)本发明TiO2的包覆采用钛酸异丙酯水解法,这使得生成的TiO2是非晶态的小晶粒,晶粒之间存在相互连接的多孔结构,这些结构特征既能使TiO2材料具有更好的循环稳定性以及接近理论容量的储能特性,又对电解液和锂离子的渗透阻碍作用很小,不影响内部Cu2O的电化学反应。
(6)本发明的材料合成工艺简单,反应条件温和,对环境无污染,成本较低,可以大量生产,具有较大的商业应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体的SEM照片。
图2为实施例1制备的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体经过稀盐酸处理后的TEM照片。
图3为实施例1制备的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体的循环充放电性能。
图4为实施例2制备的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体的循环充放电性能。
图5为实施例3制备的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体的循环充放电性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将硫酸铜(CuSO4),柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)先后溶入去离子水中,搅拌形成均匀水溶液,CuSO4浓度0.19 g L-1,柠檬酸三钠浓度0.6 g L-1,PVP浓度20 g L-1。取150 mL溶液,在搅拌条件下,逐滴加入NaOH水溶液(浓度40 g L-1)20 mL,反应30 min后,滴加抗坏血酸溶液10 mL(浓度105 g L-1),搅拌反应15 min,停止搅拌,静置10 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,保存于无水乙醇中。
取Cu2O的无水乙醇溶液50 mL(浓度2 g L-1),加入去离子水,搅拌均匀,然后逐滴缓慢加入0.1 mL钛酸异丙酯,搅拌反应3 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,70℃真空干燥,得到纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料。
图1是TiO2包覆Cu2O纳米立方体的SEM照片,立方体的结构十分明显,边长约200nm,立方体表面比较粗糙,显示表面附着了一层物质。为了便于观察表面包覆物的结构,将复合材料用稀盐酸溶解内部的Cu2O后进行TEM观察,结果如图2所示,可以看到一个TiO2方形盒子,方形盒子内部尺寸约200 nm,TiO2厚约30-40 nm。TiO2是由一些细小的颗粒组成,呈现非晶态特征,具有较高的活性,区别于水热法等方法合成的晶态材料。
采用本发明的负极材料制备锂离子电池负极:分别称取质量比为8:1:1的纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料、乙炔黑导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂,将PVDF溶于适量的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,搅拌直至完全溶解,再将研磨均匀的活性粉末和乙炔黑导电剂加入上述溶液中,继续搅拌以保证浆料混合均匀。然后将浆料均匀涂覆在圆片状的泡沫镍集流体上(直径为12 mm),置于真空烘箱内80°C烘干,最后在压片机上用10 MPa的压强压平,即制得电极片。
在充满高纯氩气的手套箱内将制备的负极与金属锂片(正极)、隔膜组成CR2025纽扣型锂离子电池。电解液为1 mol L-1 LiPF6的EC/DMC电解液。采用新威电池测试***测试锂离子电池的充放电性能与循环稳定性。充放电电流0.1C倍率,充放电电压范围0.01-3.0V。本发明所计算的包覆材料的比容量是包括了TiO2与Cu2O的总质量。没有包覆TiO2的Cu2O纳米立方体也采用相同工艺制作负极装配成锂离子电池,使用相同条件进行性能测试,以作为比较。
图3是实施例一制备的TiO2包覆Cu2O纳米立方体和纯Cu2O纳米立方体的循环性能对比图。从第2个循环开始TiO2包覆Cu2O的放电容量十分稳定,基本维持在370 mAh g-1,至第50个循环放电容量是364 mAh g-1,而纯Cu2O立方体从第2个循环到第20个循环放电容量减小了42.4%,之后缓慢下降,到第50个循环是192 mAh g-1,TiO2包覆对改善Cu2O的循环稳定性作用显著。50个循环TiO2包覆Cu2O的平均放电容量是380 mAh g-1,而纯Cu2O是250 mAhg-1,TiO2包覆提高了Cu2O的平均放电容量52%,显示包覆TiO2能改善Cu2O的充放电性能。循环充放电测试结果表明包覆TiO2能显著改善Cu2O的循环性能和充放电性能,TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料在锂离子电池领域具有重要的应用价值。
实施例2
将硫酸铜(CuSO4),柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)先后溶入去离子水中,搅拌形成均匀水溶液,CuSO4浓度0.38g L-1,柠檬酸三钠浓度1.2 g L-1,PVP浓度30 g L-1。取150 mL溶液,在搅拌条件下,逐滴加入NaOH水溶液(浓度40 g L-1)40 mL,反应30 min后,滴加抗坏血酸溶液20 mL(浓度105 g L-1),搅拌反应30 min,停止搅拌,静置15 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,保存于无水乙醇中。
取Cu2O的无水乙醇溶液50 mL(浓度2 g L-1),加入去离子水,搅拌均匀,然后逐滴缓慢加入0.2 mL钛酸异丙酯,搅拌反应3 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,70℃真空干燥,得到纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料。
复合材料中Cu2O仍然保持立方体的结构,立方体边长大约350 nm,包覆TiO2层呈非晶态小晶粒堆积壳层结构,层厚60-70 nm。
采用与实施例1相同的工艺制作锂离子电池负极,装配成锂离子电池,以相同的设备和条件(0.2C倍率,0.01-3.0V电压范围)进行循环充放电测试,结果如图4所示,循环充放电测试结果表明包覆TiO2能显著改善Cu2O的循环性能和充放电性能。
实施例3
将硫酸铜(CuSO4),柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)先后溶入去离子水中,搅拌形成均匀水溶液,CuSO4浓度0.76g L-1,柠檬酸三钠浓度2.4 g L-1,PVP浓度30 g L-1。取150 mL溶液,在搅拌条件下,逐滴加入NaOH水溶液(浓度40 g L-1)80 mL,反应30 min后,滴加抗坏血酸溶液40 mL(浓度105 g L-1),搅拌反应30 min,停止搅拌,静置15 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,保存于无水乙醇中。
取Cu2O的无水乙醇溶液50 mL(浓度2 g L-1),加入去离子水,搅拌均匀,然后逐滴缓慢加入0.2 mL钛酸异丙酯,搅拌反应3 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,70℃真空干燥,得到纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料。
复合材料中Cu2O仍然保持立方体的结构,立方体边长大约540 nm,包覆TiO2层呈非晶态小晶粒堆积壳层结构,层厚80-90 nm。
采用与实施例1相同的工艺制作锂离子电池负极,装配成锂离子电池,以相同的设备和条件(0.2C倍率,0.01-3.0V电压范围)进行循环充放电测试,结果如图5所示,循环充放电测试结果表明包覆TiO2能显著改善Cu2O的循环性能和充放电性能。
Claims (1)
1.一种锂离子电池负极材料,其结构是纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体,其特征在于:Cu2O呈纳米立方体结构,尺寸10-500 nm,在其表面包覆一层非晶态TiO2,TiO2层厚10-100nm,该负极材料采用以下方式制备得到:
将硫酸铜、柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮先后溶入去离子水中,搅拌形成均匀水溶液,硫酸铜浓度为0.1-5 g L-1,柠檬酸三钠浓度为0.1-3 g L-1,PVP浓度为1-40 g L-1;在搅拌条件下,逐滴加入浓度为70–100 g L-1的NaOH水溶液,反应30 min后,继续滴加浓度为50-150 g L-1的抗坏血酸溶液,搅拌反应5-30 min,停止搅拌,静置5-20 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,保存于无水乙醇中;
取浓度为2 g L-1的Cu2O的无水乙醇溶液,加入去离子水,搅拌均匀,然后逐滴缓慢加入钛酸异丙酯,搅拌反应2-5 h,离心分离后将产物用去离子水和无水乙醇洗涤多次,70℃真空干燥,得到纳米TiO2包覆Cu2O纳米立方体复合材料。
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GR01 | Patent grant | ||
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