CN110642284A - 一种花状CuO负极材料的制备方法 - Google Patents

一种花状CuO负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种花状CuO负极材料的制备方法，属于锂离子负极材料制备方法领域。它提供了花状CuO负极材料的制备方法，一种花状CuO负极材料的制备方法，包括如下步骤：S01：配置可溶性铜盐溶液，配置沉淀溶液；S02：边搅拌，边将沉淀溶液滴加进入可溶性铜盐溶液中，滴加完毕后，继续搅拌；S03：搅拌结束后，过滤并离心步骤S02中生成的沉淀，对离心后的沉淀物进行干燥；S04：在氮气的保护下，对干燥后的沉淀物进行煅烧，得到花状CuO。本发明具有提高电池性能的稳定性等优点。

Description

一种花状CuO负极材料的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子负极材料制备方法领域，特别涉及一种花状CuO负极材料的制备方法。
背景技术
由于煤、石油等能源属于不可再生能源，而且使用的过程中会造成各种环境污染。经济的不断发展，需要大量的能源作为保障，为了解决这一矛盾，各国都在大力提倡新能源，例如锂电动力汽车，锂电储能电站等。在这种背景下，锂离子电池就得到了飞速的发展，尤其是电动汽车的发展。然而，在飞速发展的同时，电动汽车的一些技术瓶颈也在逐渐的显现出来。比如续航里程、快速充电和安全性等问题，这其中又以续航里程更为关注。续航里程的问题对锂电池的比容量提出了要求，需要更高比容量的正极和负极材料应用到锂离子电池。
目前商业化的负极材料——石墨，由于其比容量低，一定程度上限制了锂离子电池比容量的提高。所以，提高负极材料的比容量和寻找石墨的替代材料就显得很重要。CuO作为潜在的负极材料具有高的比容量(670mAh·g-1)、无毒、安全、易制备、易储存和自然资源丰富的特点，它作为石墨的替代材料被寄予厚望。
然而，CuO作为锂离子负极材料存在的问题主要有：(1)首次的不可逆容量高；(2)在充放电过程中产生较大的体积变化(174％)，导致的直接后果就是CuO的粉化，使得CuO活性材料在集流体上脱落，最终导致电池的循环性能差；(3)由于CuO是P型半导体，电子电导率较低，因而其动力学性能不够好，直接影响锂离子电池的倍率性能和循环性能。
克服这些问题最行之有效的方法就是制备多级结构的CuO负极材料，从其形貌上抑制结构变化所带来的不良后果，花状结构属于多级结构，比表面积大，与电解液的接触好，形成的界面效应优，从而可以提升电池的循环性能，而且此方法操作简单易于放大，提高了制造效率，因而花状CuO负极材料呈现出优越的电化学性能和潜在的工业化生产特点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种花状CuO负极材料的制备方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：配置可溶性铜盐溶液，配置沉淀溶液；
S02：边搅拌，边将沉淀溶液滴加进入可溶性铜盐溶液中，滴加完毕后，继续搅拌；
S03：搅拌结束后，过滤并离心步骤S02中生成的沉淀，对离心后的沉淀物进行干燥；
S04：在氮气的保护下，对干燥后的沉淀物进行煅烧，得到花状CuO。
优选地，步骤S01中，将可溶性铜盐加入到去离子水中溶解得到0.01-1mol/L可溶性铜盐溶液。
优选地，可溶性铜盐为硝酸铜、硫酸铜、氯化铜中的一种或任意组合。
优选地，步骤S01中，将沉淀剂加入到去离子水中溶解得到0.01-2mol/L沉淀溶液。
优选地，沉淀剂为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或任意组合。
优选地，步骤S02中，搅拌速度为1-10rps，滴加速度为0.1-5mL/s。
优选地，煅烧温度为200-300℃，干燥温度为40-60℃。
优选地，煅烧温度为200℃，干燥温度为50℃。
优选地，煅烧时间为1-3h。
优选地，煅烧时间为2h。
本发明的工作原理：本发明在搅拌的作用下，Cu2+与OH-发生化学反应，直接生产Cu(OH)2沉淀，最后将Cu(OH)2进行过滤、离心和干燥后，在氮气的保护下，200℃煅烧2h，最终得到目标产物花状CuO负极材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的制备方法过程简单，易于操作，有利于放大化生产。所制备的花状多级结构CuO负极材料，可以降低材料在充放电过程中结构的变化，提高电池性能的稳定性；同时其花状结构，具有较大的比表面积，与电解液可以充分的接触和浸润，提高电池的循环性能。
附图说明
图1是本发明实例制备的花状Cu(OH)2的X射线衍射(XRD)图；
图2是本发明实例制备的花状CuO负极材料的X射线衍射(XRD)图；
图3是本发明实例制备的花状CuO负极材料的低倍FESEM图；
图4是本发明实例制备的花状CuO负极材料的高倍FESEM图；
图5是本发明实例制备的花状CuO负极材料在不同倍率下的充放电曲线图；
图6是本发明实例制备的花状CuO负极材料在0.1C倍率下前3次循环的CV曲线；
图7是本发明实例制备的花状CuO负极材料在不同倍率下的循环曲线图；
图8是本发明实例制备的花状CuO负极材料在1C下的循环曲线图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1花状CuO负极材料制备
在室温下，称取0.9378g的Cu(NO3)2固体，加入到10mL的去离子水中，充分振荡，使得硝酸铜固体全部溶解，配制成0.5mol/L的硝酸铜溶液待用。
称取0.4g的NaOH固体，加入到10mL的去离子水中，充分振荡，使得氢氧化钠固体全部溶解，配制成1mol/L的氢氧化钠溶液备用。将硝酸铜溶液进行6rps的搅拌，在搅拌的作用下，按照0.2mL/s的速度滴入2mL的NaOH溶液，加入完成后，继续搅拌1h后，对沉淀物进行过滤、离心；结束后，将沉淀物放入干燥皿中在50℃下进行干燥，干燥完成后，将所得的Cu(OH)2沉淀物放入烧舟中，在氮气的气氛下，200℃煅烧2h后取出，最终得到花状的CuO负极材料。
图1为本实施例所得前驱物的XRD图，从图中可以看出产物为Cu(OH)2。
图2为本实施例所得产物的XRD图，从图中可以看出产物为CuO。
图3为本实施例所得花状CuO薄膜材料的低倍FESEM图。
图4为本实施例所得花状CuO薄膜材料的高倍FESEM图。
从图3和图4中可以看出CuO是花状结构，形貌大小均匀，花瓣的尺寸大概在1-3μm，整个花的直径为20μm左右，并且呈现是花盛开的形貌。
将本实施例的花状CuO薄膜材料铳成直径为11mm的圆片后直接作为半电池的正极片(此处需要说明：CuO是负极材料，但是在半电池中是作为正极)，以金属锂片作为负极，Cellgard 2400型聚丙烯膜作隔膜，1M LiPF6溶液(碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯(体积比＝1：1))为电解液，在氩气手套箱内装配成实验电池。然后在25℃下对此电池进行恒电流充放电实验，结果如图5所示。在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C和10C倍率下(1C＝670mA)进行充放电测试，得到的放电比容量分别为843、734、596、524、489、439、376mAh g-1，在10C倍率下比容量还有376mAh g-1，说明材料的倍率性能优异。
图6是电池在0.1C倍率下前3次的CV曲线，可以看出电池首次放电时在1.77V和1.03V各有一个峰谷，这和充放电曲线在1.0-1.1V有两个平台相符合。第2次循环和第3次循环放电过程中各有3个平台，分别出现在2.2V、1.13V和0.8V，这和充放电曲线的平台也相一致。
图7是电池在0.1C-10C倍率下各循环10次的曲线，可以看出电池在10C倍率下的放电比容量可以达到440mAh g-1，经过10C放电后，在重新回到0.1C充放电后，发现电池的比容量仍然还有880mAh g-1左右，说明材料的可逆性能好。
图8是电池在5C倍率下的循环曲线，从图中可以看出，电池在5C倍率下容量基本上保持在300-400mAh/g，而且循环500次后，其容量保持率还有70.34％，说明此材料具有良好的循环性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：配置可溶性铜盐溶液，配置沉淀溶液；
S02：边搅拌，边将沉淀溶液滴加进入可溶性铜盐溶液中，滴加完毕后，继续搅拌；
S03：搅拌结束后，过滤并离心步骤S02中生成的沉淀，对离心后的沉淀物进行干燥；
S04：在氮气的保护下，对干燥后的沉淀物进行煅烧，得到花状CuO。
2.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S01中，将可溶性铜盐加入到去离子水中溶解得到0.01-1mol/L可溶性铜盐溶液。
3.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，可溶性铜盐为硝酸铜、硫酸铜、氯化铜中的一种或任意组合。
4.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S01中，将沉淀剂加入到去离子水中溶解得到0.01-2mol/L沉淀溶液。
5.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，沉淀剂为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或任意组合。
6.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S02中，搅拌速度为1-10rps，滴加速度为0.1-5mL/s。
7.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，煅烧温度为200-300℃，干燥温度为40-60℃。
8.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，煅烧温度为200℃，干燥温度为50℃。
9.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，煅烧时间为1-3h。
10.根据权利要求1所述的一种花状CuO负极材料的制备方法，其特征在于，煅烧时间为2h。
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