一種多級結構硝酸銅負極材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋰離子電池的硝酸銅負極材料，尤其是涉及一種具有多級結構的硝酸銅負極材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]作為一種高性能的儲能裝置，鋰離子電池在手機、筆記本電腦、數碼相機、電動汽車等領域得到了廣泛的應用。在組成鋰離子電池的各個部件中，正負極材料是決定鋰離子電池容量大小、使用壽命、生產價格等因素的關鍵物質。然而，自從20世紀90年代鋰離子電池商業化以來，正極材料在不斷地推陳出新，而負極材料一直采用石墨類材料，相比于正極材料容量的不斷提升，負極材料的容量一直受限于石墨較低的理論容量(372 mAh/g)，這也阻礙了鋰離子電池能量密度的進一步提高，使得當前的鋰離子電池不能充分滿足用戶的需求。
[0003]作為石墨負極的替代材料，過渡金屬氧化物是當前高性能鋰離子電池負極材料研宄開發的熱點之一。這是因為過渡金屬氧化物負極材料具有理論質量比容量高的特點(800-1000 mAh/g)，但是這類材料的實際可逆儲鋰容量要比理論容量低很多，如Co3O4負極材料循環50周之后的可逆質量比容量只有300-400 mAh/g,因而過渡金屬氧化物負極材料不能很好滿足社會對高容量、長壽命負極材料的需求。
[0004]相比之下，硝酸鹽材料是一種理論質量比容量超高的負極材料，其采用硝酸根的可逆反應過程來存儲能量，達到飽和嵌鋰后，其理論質量比容量可達3000 mAh/g，這使得硝酸鹽材料具有潛在較高的可逆容量、優異的化學及電化學穩定性，因此，硝酸鹽基負極材料是一種非常有開發前景的鋰離子電池負極材料。
[0005]現有商業化負極材料的制備方法，主要是利用碳源(如瀝青)在2000°C以上高溫下下進行長時間碳化獲得人工石墨(中間相碳微球)，因而，這樣的合成工藝具有高能耗的缺陷，這是在追求原料廉價的同時導致了合成加工過程成本的上升，從而不能獲得一種能滿足當前社會需求的成本低廉、容量高和安全性好的負極材料。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種制備具有多級結構硝酸銅負極材料的方法，該合成方法通過先構建一種硝酸銅和碳纖維的復合材料，然后與碳黑進行再次復合，從而獲得一種結構穩定、致密的復合材料，所得到的硝酸銅負極材料的顆粒均一、粒徑分布均勾、電子電導率高，從而有效改善硝酸銅負極材料的儲鋰性能。
[0007]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種鋰離子電池用多級結構硝酸銅負極材料的制備方法，包括以下步驟:取100-200g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入l-5g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到60-80°C，接著加入50-100ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入l_2g碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。
[0008]與現有技術相比，本發明的優點在于。
[0009](I)該方法制備的多級結構硝酸銅負極材料的顆粒粒徑均一、結構穩定、致密。其中碳纖維在復合材料中起到骨架支撐作用，硝酸銅填充在碳纖維構建的三維腔體內，納米級碳黑完善了硝酸銅顆粒之間的空隙，進而使得整個復合材料物質分散均勻、致密，保持了電極結構的穩定。
[0010](2)同時，該方法還利用商品硝酸銅作為電極材料，并且合成工藝僅涉及硝酸銅的溶解及重結晶，使得這種復合材料其成本低廉、儲鋰容量較高、循環壽命好，能滿足高容量鋰離子電池實際應用的需要。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明實施例中所得具有多級結構硝酸銅負極材料的充放電曲線圖。
【具體實施方式】
[0012]以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0013]實施例1。
[0014]取10g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入Ig碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到60°C，接著加入50ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入Ig碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。將所得的產物作為研宄電極，金屬鋰片作為對電極，在充滿氬氣的手套箱中組裝成扣式鋰離子電池，以0.1C的倍率在0.0-3.4V電位區間內進行充放電循環，可得首次放電容量為2452mAh/g，充電容量為1698mAh/g，其循環100周后的可逆容量為1501mAh/g，顯示了優異的電化學性能。
[0015]實施例2。
[0016]取200g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入5g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到80°C，接著加入10ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入2g碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。將所得的產物作為研宄電極，金屬鋰片作為對電極，在充滿氬氣的手套箱中組裝成扣式鋰離子電池，以0.1C的倍率在0.0-3.4V電位區間內進行充放電循環，可得首次放電容量為2389mAh/g，充電容量為1780mAh/g，其循環100周后的可逆容量為1671mAh/g，顯示了優異的電化學性能。
[0017]實施例3。
[0018]取150g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入3g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到70°C，接著加入80ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入Ig碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。將所得的產物作為研宄電極，金屬鋰片作為對電極，在充滿氬氣的手套箱中組裝成扣式鋰離子電池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V電位區間內進行充放電循環，可得首次放電容量為2783mAh/g，充電容量為2109mAh/g，其循環100周后的可逆容量為1842mAh/g，顯示了優異的電化學性能。
[0019]實施例4。
[0020]取10g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入5g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到60°C，接著加入10ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入2g碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。將所得的產物作為研宄電極，金屬鋰片作為對電極，在充滿氬氣的手套箱中組裝成扣式鋰離子電池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V電位區間內進行充放電循環，可得首次放電容量為2555mAh/g，充電容量為2067mAh/g，其循環100周后的可逆容量為1897mAh/g，顯示了優異的電化學性能。
[0021]實施例5。
[0022]取200g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入2g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到80°C，接著加入50ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入Ig碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。將所得的產物作為研宄電極，金屬鋰片作為對電極，在充滿氬氣的手套箱中組裝成扣式鋰離子電池，以0.1C的倍率在0.0-3.4 V電位區間內進行充放電循環，可得首次放電容量為2249mAh/g，充電容量為1948mAh/g，其循環100周后的可逆容量為1768mAh/g，顯示了優異的電化學性能。
【主權項】
1.一種多級結構硝酸銅負極材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:取100-200g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入l-5g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到60-80°C，接著加入50-100ml乙醇和5ml、lmol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入l_2g碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60°C下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。2.根據權利要求1所述的一種多級結構硝酸銅負極材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述的多級結構硝酸銅負極材料的組成為硝酸銅、碳纖維和碳黑。3.根據權利要求1所述的一種多級結構硝酸銅負極材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述的硝酸銅原料為含結晶水的Cu(NO3)2.3H20o
【專利摘要】本發明一種多級結構硝酸銅負極材料的制備方法，包括以下步驟：取100-200g硝酸銅粉末，溶解在500ml蒸餾水中，待完全溶解后，加入1-5g碳纖維，高速攪拌30分鐘后升溫到60-80℃，接著加入50-100ml乙醇和5ml、1mol/L的冰醋酸，攪拌3分鐘后，加入1-2g碳黑，繼續攪拌直至溶液揮發完全；接下來，將所得的初產物放入烘箱在60℃下烘24小時，取出產物并研磨成粉，所得產物即多級結構的硝酸銅負極材料。該方法的優點是獲得的硝酸銅負極材料具有穩定的多級復合結構，這種多級復合結構使得硝酸銅負極材料具有高容量和長壽命的特性。
【IPC分類】H01M4/62, H01M4/36, H01M10/0525
【公開號】CN104993147
【申請號】CN201510307888
【發明人】鄭席, 舒杰, 羅明賀, 孫怡辰, 卯金理
【申請人】寧波大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月8日