[發明專利]一種在銅網集流體上生長納米鈷酸鋅并直接用于鋰離子電池負極的方法

在審

• 申請號: 201410024632.1
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN103762336A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 郝文君;李增喜;陳仕謀
• 申請（專利權）人: 中國科學院大學
• 主分類號: H01M4/1391
• 分類號: H01M4/1391
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及到一種在銅網集流體上生長納米鈷酸鋅并直接用于鋰離子電池負極的方法，通過酸預處理控制銅網表面形貌調節樣品形貌，屬于新能源領域。

背景技術：

隨著煤炭、石油等主要天然資源的逐漸耗竭，能源危機已經成為人類未來必須解決的重大課題之一。目前，綠色無污染的新型高能化學電源已成為世界各國競相開發的熱點。理論與實踐證明，鋰離子電池具有其他二次電池不可比擬的優勢，以其高電壓、高比能量、長壽命、無記憶效應、自放電小等特性，廣泛應用于光電、信息、交通、國防軍事等領域。隨著電子產品小型化、微型化快速發展，以及多功能便攜式和高能量電子設備的迫切需求，鋰離子電池備受重視，已經成為現代和未來重要的新能源之一。

對于鋰離子電池電極材料來講，形貌和結構嚴重影響其電化學性能，而性能又是材料的結構在一定條件下的表現。因此，材料的性能與材料比表面積、顆粒尺寸、處理工藝、反應溫度、反應氣氛和時間等因素密切相關。目前的研究結果表明，限制鋰離子電池快速充放電能力的主要因素在于鋰離子在材料內部的擴散速率比較低。

鋰離子在材料內部的擴散速率與材料本身的結構有著密切的聯系，也就是說如果在儲鋰材料內部能夠構架鋰離子快速遷移的通道就能提高其快速充放電性能。而納米尺寸結構材料能夠引起材料動力學性能及熱力學性能的變化，并且納米材料作為鋰離子電池的電極材料，具有許多獨特的物理和化學性質。

目前采用納米材料作為鋰離子電池的電極能夠大大降低鋰離子擴散的距離，從而改善電池的快速充放電性能。這是因為一方面比表面積的增大，縮短了鋰離子在固相內部的擴散距離，大大改善了電極的界面特性，使得鋰嵌入／脫出的深度減小、離子擴散路徑變短、大電流充放電時電極極化程度小、可逆容量高、循環壽命長；另一方面是包括材料特性變化的真實的納米尺寸效應，具體表現為鋰離子與納米結構材料的相互作用行為的變化。而高空隙率又為鋰離子的脫嵌及有機溶劑分子的遷移提供了大量空間以及與有機溶劑具有良好的相溶性等。因此在最近幾年掀起納米級電極材料研究的熱潮。

鋰離子電池的負極材料作為儲鋰的主體，在充放電過程中實現鋰離子的嵌入和脫出。從鋰離子電池的發展來看，負極材料的研究對鋰離子電池的出現起著決定作用，正是由于碳材料的出現解決了金屬鋰電極的安全問題，從而直接促進了鋰離子電池的應用。

目前，商業化碳負極材料存在的主要問題是：實際比容量低(約為300～330mAh·g^-1，理論比容量為372mAh·g^-1)、首次不可逆損失大、倍率放電性能差等，其組裝電池已遠遠不能滿足實際需求，因此開發新型高比容量鋰離子電池負極材料顯得迫在眉睫。盡管人們對碳材料進行了摻雜改性或表面處理，但是碳材料儲鋰能力低是導致其實際比容量難以提高的根本原因。與傳統的石墨負極相比過渡金屬氧化物擁有高的理論容量和首次充放電容量然而由于它們存在首次庫侖效率低高倍率充放電容量低和循環穩定性較差等缺陷限制了其廣泛應用。

鈷酸鋅的比容量可達976mAh·g^-1，主要用于鋰離子電池負極材料領域，其中，納米尺度鈷酸鋅的形貌對鋰離子電池性能有著重要的影響。目前鈷酸鋅的研究主要以無序的納米顆粒、納米棒和納米片層為主，這些納米結構容易在鋰離子嵌入／脫出的過程中膨脹粉碎，影響鋰離子電池循環和倍率等性能。本發明采用在負極銅網集流體上直接生長負極材料，與現有工藝相比，省去研磨、涂抹等工藝步驟，材料與銅網集流體作用力強，利用銅網集流體良好的導電性省去粘結劑與導電炭黑等的加入，簡化工藝條件，將樣品固定于銅網集流體上，可以減小充放電過程中材料的粉化膨脹，從而提高鋰電池充放電循環和倍率等性能。

發明內容：

本發明的目的是針對目前鋰離子電池極片制備過程中研磨涂片等一系列繁瑣步驟，省去粘結劑和導電炭黑等材料，提供一種直接在導電集流體銅網表面生成復合負極材料鈷酸鋅／銅網的方法。本發明采用水熱法制備出均勻生長在銅網表面的具有特殊陣列結構的鈷酸鋅復合材料，能有效的解決材料導電性差、易粉化、充放電體積變化大、循環性能差等一系列問題。

本發明公布了一種鈷酸鋅／銅網復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：