一种多级结构硝酸铜负极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锂离子电池的硝酸铜负极材料，尤其是涉及一种具有多级结构的硝酸铜负极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]作为一种高性能的储能装置，锂离子电池在手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车等领域得到了广泛的应用。在组成锂离子电池的各个部件中，正负极材料是决定锂离子电池容量大小、使用寿命、生产价格等因素的关键物质。然而，自从20世纪90年代锂离子电池商业化以来，正极材料在不断地推陈出新，而负极材料一直采用石墨类材料，相比于正极材料容量的不断提升，负极材料的容量一直受限于石墨较低的理论容量(372 mAh/g)，这也阻碍了锂离子电池能量密度的进一步提高，使得当前的锂离子电池不能充分满足用户的需求。
[0003]作为石墨负极的替代材料，过渡金属氧化物是当前高性能锂离子电池负极材料研宄开发的热点之一。这是因为过渡金属氧化物负极材料具有理论质量比容量高的特点(800-1000 mAh/g)，但是这类材料的实际可逆储锂容量要比理论容量低很多，如Co3O4负极材料循环50周之后的可逆质量比容量只有300-400 mAh/g,因而过渡金属氧化物负极材料不能很好满足社会对高容量、长寿命负极材料的需求。
[0004]相比之下，硝酸盐材料是一种理论质量比容量超高的负极材料，其采用硝酸根的可逆反应过程来存储能量，达到饱和嵌锂后，其理论质量比容量可达3000 mAh/g，这使得硝酸盐材料具有潜在较高的可逆容量、优异的化学及电化学稳定性，因此，硝酸盐基负极材料是一种非常有开发前景的锂离子电池负极材料。
[0005]现有商业化负极材料的制备方法，主要是利用碳源(如沥青)在2000°C以上高温下下进行长时间碳化获得人工石墨(中间相碳微球)，因而，这样的合成工艺具有高能耗的缺陷，这是在追求原料廉价的同时导致了合成加工过程成本的上升，从而不能获得一种能满足当前社会需求的成本低廉、容量高和安全性好的负极材料。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种制备具有多级结构硝酸铜负极材料的方法，该合成方法通过先构建一种硝酸铜和碳纤维的复合材料，然后与碳黑进行再次复合，从而获得一种结构稳定、致密的复合材料，所得到的硝酸铜负极材料的颗粒均一、粒径分布均勾、电子电导率高，从而有效改善硝酸铜负极材料的储锂性能。
[0007]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种锂离子电池用多级结构硝酸铜负极材料的制备方法，包括以下步骤:取100-200g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入l-5g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到60-80°C，接着加入50-100ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入l_2g碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。
[0008]与现有技术相比，本发明的优点在于。
[0009](I)该方法制备的多级结构硝酸铜负极材料的颗粒粒径均一、结构稳定、致密。其中碳纤维在复合材料中起到骨架支撑作用，硝酸铜填充在碳纤维构建的三维腔体内，纳米级碳黑完善了硝酸铜颗粒之间的空隙，进而使得整个复合材料物质分散均匀、致密，保持了电极结构的稳定。
[0010](2)同时，该方法还利用商品硝酸铜作为电极材料，并且合成工艺仅涉及硝酸铜的溶解及重结晶，使得这种复合材料其成本低廉、储锂容量较高、循环寿命好，能满足高容量锂离子电池实际应用的需要。
【附图说明】
[0011]图1为本发明实施例中所得具有多级结构硝酸铜负极材料的充放电曲线图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0013]实施例1。
[0014]取10g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入Ig碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到60°C，接着加入50ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入Ig碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。将所得的产物作为研宄电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2452mAh/g，充电容量为1698mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1501mAh/g，显示了优异的电化学性能。
[0015]实施例2。
[0016]取200g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入5g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到80°C，接着加入10ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入2g碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。将所得的产物作为研宄电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2389mAh/g，充电容量为1780mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1671mAh/g，显示了优异的电化学性能。
[0017]实施例3。
[0018]取150g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入3g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到70°C，接着加入80ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入Ig碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。将所得的产物作为研宄电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2783mAh/g，充电容量为2109mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1842mAh/g，显示了优异的电化学性能。
[0019]实施例4。
[0020]取10g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入5g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到60°C，接着加入10ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入2g碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。将所得的产物作为研宄电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2555mAh/g，充电容量为2067mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1897mAh/g，显示了优异的电化学性能。
[0021]实施例5。
[0022]取200g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入2g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到80°C，接着加入50ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入Ig碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。将所得的产物作为研宄电极，金属锂片作为对电极，在充满氩气的手套箱中组装成扣式锂离子电池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V电位区间内进行充放电循环，可得首次放电容量为2249mAh/g，充电容量为1948mAh/g，其循环100周后的可逆容量为1768mAh/g，显示了优异的电化学性能。
【主权项】
1.一种多级结构硝酸铜负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤:取100-200g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入l-5g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到60-80°C，接着加入50-100ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入l_2g碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60°C下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。2.根据权利要求1所述的一种多级结构硝酸铜负极材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述的多级结构硝酸铜负极材料的组成为硝酸铜、碳纤维和碳黑。3.根据权利要求1所述的一种多级结构硝酸铜负极材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)中所述的硝酸铜原料为含结晶水的Cu(NO3)2.3H20o
【专利摘要】本发明一种多级结构硝酸铜负极材料的制备方法，包括以下步骤：取100-200g硝酸铜粉末，溶解在500ml蒸馏水中，待完全溶解后，加入1-5g碳纤维，高速搅拌30分钟后升温到60-80℃，接着加入50-100ml乙醇和5ml、1mol/L的冰醋酸，搅拌3分钟后，加入1-2g碳黑，继续搅拌直至溶液挥发完全；接下来，将所得的初产物放入烘箱在60℃下烘24小时，取出产物并研磨成粉，所得产物即多级结构的硝酸铜负极材料。该方法的优点是获得的硝酸铜负极材料具有稳定的多级复合结构，这种多级复合结构使得硝酸铜负极材料具有高容量和长寿命的特性。
【IPC分类】H01M4/62, H01M4/36, H01M10/0525
【公开号】CN104993147
【申请号】CN201510307888
【发明人】郑席, 舒杰, 罗明贺, 孙怡辰, 卯金理
【申请人】宁波大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月8日