一种锂离子电池负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池电极材料制备领域，尤其涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术：

21世纪以来，能源短缺及环境污染是人类面临的重大挑战。锂离子电池被认为是重要的能量储存和转换技术。而目前商业化的锂离子电池负极材料大部分是石墨材料，由于石墨较低的理论容量限制了其在锂离子电池中的进一步应用。过渡金属氧化物的理论比容量较高，然而，受到热力学限制和动力学限制，该类材料在循环期间具有较大的体积变化、快速的容量衰减、较低的初始库仑效率以及导电性差等缺陷。针对过渡金属氧化物负极材料的上述缺点，解决问题的主要手段有：（1）制备特殊形貌的纳米结构材料；（2）将过渡金属氧化物与碳、导电高分子材料复合。在所有纳米结构中，一维（1d）材料已经被证明是一种提高电化学性能的有效结构。近几年来，合成具有异质结构的过渡金属氧化物负极材料是提高电化学性能的有效方法。与单一的过渡金属氧化物相比，异质结构过渡金属氧化物通常表现出更高的放电比容量和更好的循环稳定性。

尽管这些结构设计已经取得了一些成果，但该类材料应用于负极通常需要使用粘合剂和导电添加剂，这导致材料的导电率和离子迁移率不理想。此外，已经报道的异质结构过渡金属氧化物负极材料通常涉及复杂的多步骤合成过程。因此，通过简单的方法在三维（3d）碳纳米纤维基底上合成具有良好机械强度和电化学性能的自支撑电极是极其必要的。据文献调研，目前有关带缺陷的异质结构过渡金属氧化物在锂离子电池应用中的探索很少。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法，旨在解决现有制备锂离子电池负极材料的工艺过程复杂，以及现有锂离子电池负极材料导电性不足、性能不均一、循环过程中易团聚及易粉化的问题。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池负极材料的制备方法，其中，包括步骤：

提供一种多孔氮掺杂碳纳米纤维膜；

将所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜加入到含有可溶性铜盐和可溶性钴盐的混合溶液中，通过溶剂热法使所述铜离子和钴离子沉积到所述多孔氮掺杂碳纤维膜内部；

取出所述多孔氮掺杂碳纤维膜并依次在惰性气氛下和空气气氛下分别对所述多孔氮掺杂碳纤维膜进行第一次煅烧处理和第二次煅烧处理，在所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜中生成铜-钴氧化物异质结构，制得所述锂离子电池负极材料。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜的制备包括步骤：

将十六烷基三甲基溴化铵和聚丙烯腈按照预定比例加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中搅拌，得到纺丝液；

采用静电纺丝机将所述纺丝液制备成丝状膜；

将所述丝状膜暴露在空气中进行预氧化处理，随后在惰性气氛下对所述丝状膜进行煅烧碳化处理，冷却至室温后得到所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，将十六烷基三甲基溴化铵和聚丙烯腈按照质量比为1-3:10的比例加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中搅拌，得到纺丝液。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述采用静电纺丝机将所述纺丝液制备成丝状膜的步骤包括：

将静电纺丝机的电压设置为15-18kv，将纺丝液加入静电纺丝机中，在滚筒以700-900r/min的转速条件下使用18-22号导电针头静电纺丝得到丝状膜。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述在惰性气氛下对所述丝状膜进行煅烧碳化处理的步骤中，煅烧碳化处理的温度为700-1000℃，时间为1-2h。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述含有可溶性铜盐和可溶性钴盐的混合溶液中，可溶性铜盐与可溶性钴盐的摩尔比为0.5-1.5：1。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述可溶性铜盐选自硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜和氯化铜中的一种或多种；和/或，所述可溶性钴盐选自硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴和氯化钴中的一种或多种。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述第一次煅烧处理温度为350-450℃，第一次煅烧处理时间为1.5-2.5h。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其中，所述第二次煅烧处理温度为150-250℃，第二次煅烧处理时间为5-7h。

一种锂离子电池负极材料，其中，采用本发明所述制备方法制备得到。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过简单的静电纺丝和溶剂热路径在三维的多孔氮掺杂碳纳米纤维膜（pncnf）上合成一种带缺陷的一维铜-钴氧化物异质结构（cuox-co3o4）纳米线。这种cuox-co3o4@pncnf阵列不仅可以有效地在电极之间快速传输离子和电子，铜氧缺陷的引入更是极大地提高了材料的导电性，而且不同的氧化物之间可互为缓冲，用以缓解循环过程中的体积效应。且本发明的锂离子电池负极材料制备方法简单，成本低，有利于该材料的大规模生产应用。

附图说明

图1为本发明提供的一种锂离子电池负极材料的制备方法较佳实施例的流程图。

图2为本发明实施例1制备的多孔氮掺杂碳纳米纤维膜的电镜结构示意图。

图3为本发明实施例1制备的锂离子电池负极材料的电镜结构示意图。

图4为本发明实施例1制备的锂离子电池负极材料的质谱成分示意图。

图5为本发明实施例1制备的锂离子电池负极材料的性能测试结果示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种锂离子电池负极材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：

s10、提供一种多孔氮掺杂碳纳米纤维膜；

s20、将所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜加入到含有可溶性铜盐和可溶性钴盐的混合溶液中，通过溶剂热法使所述铜离子和钴离子沉积到所述多孔氮掺杂碳纤维膜内部；

s30、取出所述多孔氮掺杂碳纤维膜并依次在惰性气氛下和空气气氛下分别对所述多孔氮掺杂碳纤维膜进行第一次煅烧处理和第二次煅烧处理，在所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜中生成铜-钴氧化物异质结构，制得所述锂离子电池负极材料。

目前多数的锂离子电池负极材料存在制备方法繁琐，成本高昂等问题，并且现有锂离子电池负极材料的制备方法只能局限于制备一维结构（棒状，线状)，而将一维金属氧化物异质结纳米线负载在三维多孔导电基底上形成的电极材料作为锂离子电池负极材料可极大地发挥各组分过渡金属氧化物的优势，展示出极佳的协同效应。

为了解决现有锂离子电池负极材料放电比容量低以及循环稳定性较差的问题，本发明通过简单的静电纺丝和溶剂热路径在三维的多孔氮掺杂碳纳米纤维膜（pncnf）上合成一种带缺陷的一维铜-钴氧化物异质结构（cuox-co3o4）纳米线，这种cuox-co3o4@pncnf阵列不仅可以有效地在电极之间快速传输离子和电子，且铜氧缺陷的引入更是极大地提高了材料的导电性，而且不同的氧化物之间可互为缓冲，用以缓解循环过程中的体积效应。且本发明的锂离子电池负极材料制备方法简单，成本低，有利于该材料的大规模生产应用。

在一些实施方式中，所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜的制备包括步骤：将十六烷基三甲基溴化铵和聚丙烯腈按照预定比例加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中搅拌，得到纺丝液；采用静电纺丝机将所述纺丝液制备成丝状膜；将所述丝状膜暴露在空气中进行预氧化处理，随后在惰性气氛下对所述丝状膜进行煅烧碳化处理，冷却至室温后得到所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜。

优选的，将十六烷基三甲基溴化铵和聚丙烯腈按照质量比为1-3:10的比例加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中搅拌，得到纺丝液。更优选的，先将所述十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶液中剧烈搅拌得到透明液体，然后按预定比例称取聚丙烯腈（pan）粉末加入到所述透明液体中剧烈搅拌，制得所述纺丝液。更优选的，所述纺丝液中，聚丙烯腈的质量分数为10-20%。

在一些实施方式中，所述采用静电纺丝机将所述纺丝液制备成丝状膜的步骤包括：将静电纺丝机的电压设置为15-18kv，将纺丝液加入静电纺丝机中，在滚筒以700-900r/min的转速条件下使用18-22号导电针头静电纺丝得到丝状膜。

在一些实施方式中，将所述丝状膜暴露在空气中且在200-350℃的温度条件下进行预氧化1-3h，随后在惰性气氛下对所述丝状膜进行煅烧碳化处理预定时间，待冷却至室温后即可制得所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜。优选的，本实施例中，所述煅烧碳化处理的温度为700-1000℃，时间为1-2h。

在一些实施方式中，将所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜加入到含有可溶性铜盐和可溶性钴盐的混合溶液中，通过溶剂热法使所述铜离子和钴离子沉积到所述多孔氮掺杂碳纤维膜内部。在本实施例中，所述含有可溶性铜盐和可溶性钴盐的混合溶液的制备步骤为：将所述可溶性铜盐与可溶性钴盐按照摩尔比为0.5-1.5：1的比例加入到去离子水和乙二醇的混合溶剂中，混合制得所述混合溶液。

在一些具体的实施方式中，所述可溶性铜盐选自硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜和氯化铜中的一种或多种，但不限于此。所述可溶性钴盐选自硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴和氯化钴中的一种或多种，但不限于此。

在一些实施方式中，取出所述内部沉积有铜离子和钴离子的多孔氮掺杂碳纤维膜并依次在惰性气氛下和空气气氛下分别对所述多孔氮掺杂碳纤维膜进行第一次煅烧处理和第二次煅烧处理，在所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜中生成铜-钴氧化物异质结构，制得所述锂离子电池负极材料。在一些具体的实施方式中，所述第一次煅烧处理温度为350-450℃，第一次煅烧处理时间为1.5-2.5h；所述第二次煅烧处理温度为150-250℃，第二次煅烧处理时间为5-7h。通过本发明方法制备的cuox-co3o4@pncnf负极材料为一维异质结纳米线，其结构本身由氧化物纳米线负载在三维多孔碳纤维基底上，不仅具有较高的电导性能，良好的电化学氧化还原活性，还具有优异的电化学稳定性，是一种优异的锂离子电池负极材料；结构上的优势使得铜-钴氧化物的性能优势得到极大的展现，并且显示出良好的协同效应，同时铜氧缺陷的引入极大提高了材料的导电性，促进反应动力学；且本发明的一维异质纳米线组装而成的三维cuox-co3o4@pncnf电极材料制备方法简单，成本低，有利于该材料的大规模生产应用。

进一步的，本发明还提供一种锂离子电池负极材料，其中，采用本发明上述方法制备而成。具体来讲，所述锂离子电池负极材料包括多孔氮掺杂碳纳米纤维膜以及结合在所述多孔氮掺杂碳纳米纤维膜内部的铜-钴氧化物异质结构。所述铜-钴氧化物（cuox-co3o4）为一维异质结构纳米线，其组装在三维多孔氮掺杂碳纳米纤维基底上，不仅具有较高的电导性能，良好的电化学氧化还原活性，还具有优异的电化学稳定性，是一种优异的锂离子电池负极材料；其结构上的优势使得铜-钴氧化物的性能优势得到极大的展现，并且显示出良好的协同效应，同时铜氧缺陷的引入极大提高了材料的导电性，促进反应动力学。

下面通过具体实施例对本发明一种锂离子电池负极材料及其制备方法做进一步的解释说明：

实施例1

称取质量比为10：2的聚丙烯腈（pan）和十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中剧烈搅拌，得到pan纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝机在15kv高压，滚筒800转每分钟的高转速的条件下使用21导电针头静电纺丝得到丝状产物；将丝状产物在空气中280℃下进行预氧化2h，随后进行碳化800℃烧结，保温2h，冷却至室温得到多孔碳纤维基底。采用水/乙二醇混合溶剂，溶剂热液的体积为30ml，硝酸铜与硝酸钴的摩尔比为1:1，加入多孔碳纤维的质量为20mg。溶剂热产物先在氮气保护下400℃煅烧2h，随后在低温200℃空烧氧化6h，得到cuox-co3o4@pncnf电极材料。本实施例制备的基底以及电极材料的结构见图2-图3所示，电极材料的成分及性能见图4-图5所示。

实施例2

称取质量比为10：1的聚丙烯腈（pan）和十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中原料加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中剧烈搅拌，得到pan纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝机在15kv高压，滚筒900转每分钟的高转速的条件下使用20导电针头静电纺丝得到丝状产物；最后在空气中280℃下进行预氧化2h，随后进行碳化700℃烧结，保温2h，冷却至室温得到多孔碳纤维基底。采用水/乙二醇混合溶剂，溶剂热液的体积为30ml，硫酸铜与硝酸钴的摩尔比为1.5:1，加入多孔碳纤维的质量为25mg。溶剂热产物先在氮气保护下400℃煅烧2h，随后在低温200℃空烧氧化6h，得到cuox-co3o4@pncnf电极材料。

实施例3

称取质量比为10：3的聚丙烯腈（pan）和十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中原料加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中剧烈搅拌，得到pan纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝机在15kv高压，滚筒800转每分钟的高转速的条件下使用21导电针头静电纺丝得到丝状产物；最后在空气中280℃下进行预氧化2h，随后进行碳化900℃烧结，保温2h，冷却至室温得到多孔碳纤维基底。采用水/乙二醇混合溶剂，溶剂热液的体积为30ml，硝酸铜与硝酸钴的摩尔比为0.5:1，加入多孔碳纤维的质量为30mg。溶剂热产物在氮气保护下400℃煅烧2h，随后在低温200℃空烧氧化6h得到cuox-co3o4@pncnf电极材料。

实施例4

称取质量比为10：2的聚丙烯腈（pan）和十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中原料加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中剧烈搅拌，得到pan纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝机在16kv高压，滚筒800转每分钟的高转速的条件下使用20导电针头静电纺丝得到丝状产物；最后在空气中280℃下进行预氧化2h，随后进行碳化800℃烧结，保温2h，冷却至室温得到多孔碳纤维基底。采用水/乙二醇混合溶剂，溶剂热液的体积为30ml，氯化铜与氯化钴的摩尔比为1:1，加入多孔碳纤维的质量为15mg。溶剂热产物先在氮气保护下400℃煅烧2h，随后在低温200℃空烧氧化6h得到cuox-co3o4@pncnf电极材料。

实施例5

称取质量比为10：3的聚丙烯腈（pan）和十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中原料加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中剧烈搅拌，得到pan纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝机在15kv高压，滚筒800转每分钟的高转速的条件下使用21导电针头静电纺丝得到丝状产物；最后在空气中280℃下进行预氧化2h，随后进行碳化800℃烧结，保温2h，冷却至室温得到多孔碳纤维基底。采用水/乙二醇混合溶剂，溶剂热液的体积为30ml，乙酸铜与硝酸钴的摩尔比为0.5:1，加入多孔碳纤维的质量为25mg。溶剂热产物先在氮气保护下400℃煅烧2h，随后在低温200℃空烧氧化6h得到cuox-co3o4@pncnf电极材料。

实施例6

称取质量比为10：3的聚丙烯腈（pan）和十六烷基三甲基溴化铵（ctab）加入到n,n-二甲基甲酰胺溶液中原料加入到n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中剧烈搅拌，得到pan纺丝液，将纺丝液通过静电纺丝机在15kv高压，滚筒700转每分钟的高转速的条件下使用20导电针头静电纺丝得到丝状产物；最后在空气中280℃下进行预氧化2h，随后进行碳化800℃烧结，保温2h，冷却至室温得到多孔碳纤维基底。采用水/乙二醇混合溶剂，溶剂热液的体积为30ml，硫酸铜与乙酸钴的摩尔比为1:1，加入多孔碳纤维的质量为15mg。溶剂热产物先在氮气保护下400℃煅烧2h，随后在低温200℃空烧氧化6h得到cuox-co3o4@pncnf电极材料。

综上所述，本发明通过简单的静电纺丝和溶剂热路径在三维的多孔氮掺杂碳纳米纤维膜（pncnf）上合成一种带缺陷的一维铜-钴氧化物异质结构（cuox-co3o4）纳米线。这种cuox-co3o4@pncnf阵列不仅可以有效地在电极之间快速传输离子和电子，铜氧缺陷的引入更是极大地提高了材料的导电性，而且不同的氧化物之间可互为缓冲，用以缓解循环过程中的体积效应。且本发明的锂离子电池负极材料制备方法简单，成本低，有利于该材料的大规模生产应用。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。