[發(fā)明專利]一種三維復(fù)合Co3O4-Si-C負(fù)極材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710031319.4
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN107068993B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉莉麗;杜長江;劉春輝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工商大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/52;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發(fā)明公開了一種三維復(fù)合Co₃O₄?Si?C負(fù)極材料的制備方法，該方法包括以下步驟：(1)將泡沫鎳經(jīng)酸預(yù)處理后作為導(dǎo)電集流體；(2)將酸處理后的泡沫鎳轉(zhuǎn)移至裝有硝酸鈷、尿素和氟化銨的混合水溶液的反應(yīng)釜內(nèi)，加熱反應(yīng)釜，并恒溫一段時(shí)間，隨后冷卻至室溫，產(chǎn)品洗滌干燥后經(jīng)高溫煅燒制得Co₃O₄的納米線結(jié)構(gòu)陣列；(3)將可溶性硅源溶解于離子液體體系中，以上述步驟(2)制得的產(chǎn)物為陰極，以惰性電級為陽極，在一定溫度下進(jìn)行恒壓或恒流電沉積，電沉積產(chǎn)物經(jīng)過有機(jī)物清洗分離出離子液體得到硅層；(4)以上述步驟(3)制備的產(chǎn)物進(jìn)行噴C表面處理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維復(fù)合Co₃O₄-Si-C負(fù)極材料的制備方法，特別涉及一種離子液體為電解液電解Si層制備鋰離子電池用負(fù)極材料的方法。

背景技術(shù)

能源材料是人類得以蓬勃發(fā)展的基石，其進(jìn)步貫穿整個(gè)社會(huì)、科技、經(jīng)濟(jì)的前進(jìn)。隨著社會(huì)的進(jìn)步、傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和人們對再生能源的需求增加，開展新能源材料研發(fā)已成為現(xiàn)今人類的重要課題之一。從根本上說，最重要的因素是人類賴以生存的不可再生能源資源日益短缺，和環(huán)境污染問題的日益突出，如全球氣候變暖、霧霾、酸雨等環(huán)境問題，因此人們不得不主動(dòng)或被動(dòng)尋找新型能源轉(zhuǎn)化與存儲裝置。電池材料作為新能源材料的一種，具有較高的能量密度、可移動(dòng)性較好，輸出電壓穩(wěn)定，工作環(huán)境溫和等優(yōu)勢，在人們的日常生活和科研、工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，譬如作為筆記本電腦、手機(jī)、相機(jī)的電源，以及各種工業(yè)手持設(shè)備的動(dòng)力，甚至開始作為大型裝置的電源。諸多電池中，鋰離子電池與其它電池相比,具有高電壓、高比能量、高充放電速率、低自放電率、良好的充放電壽命、小環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。目前鋰離子電池已經(jīng)逐漸從與其它新型電池的競爭中取得優(yōu)勢并率先普及，開始取代了鎳氫電池、鎳鎘電池，鉛酸電池的傳統(tǒng)地位。然而，最近的20年間鋰電池的工業(yè)化進(jìn)展開始止步不前，單位質(zhì)量和單位體積的能量密度增長緩慢，這相對于現(xiàn)在工業(yè)、科技、娛樂的快速發(fā)展是十分滯后的。因此，研發(fā)高能量密度、長壽命、高功率的鋰電池十分必要。

鋰離子二次電池的電化學(xué)性能高度依賴于其組成部件，特別是正負(fù)極電極材料的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對總體性能有決定性作用。因此，為了進(jìn)一步提高性能，需要圍繞一些基礎(chǔ)課題，譬如電池電極材料的合成、制備及其物理化學(xué)性質(zhì)，深入研究進(jìn)而找到相應(yīng)的改良與解決方法。目前已實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨等。在研究的碳材料的比容量一般不高于400mAh·g^-1，由于首次不可逆損失大、倍率放電性能差等，其組裝電池已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。鋰離子電池負(fù)極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分，因此開發(fā)新型高比容量鋰離子電池負(fù)極材料對鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展起著決定作用。

硅有望在商業(yè)應(yīng)用上取代石墨負(fù)極，它的吸引力源自其高達(dá)4200mAh/g的理論容量、自然資源豐富和低工作電壓。但是，Si在Li⁺嵌入/脫出過程中會(huì)伴隨著巨大的體積膨脹(～400％)，而產(chǎn)生巨大的應(yīng)力。這些應(yīng)力可以引起Si的粉碎并從而導(dǎo)致其集流體上脫離，最終發(fā)生容量的不可逆衰減。此外，有機(jī)電解液易于在電極表面發(fā)生分解反應(yīng)，在Si表面形成一層SEI膜。劇烈的體積膨脹和收縮會(huì)導(dǎo)致其開裂，難以穩(wěn)定。這使得Si表面重新曝露在電解液中再次形成SEI，最終導(dǎo)致充放電過程中SEI膜越來越厚，不利于鋰離子和電子的運(yùn)輸，最終影響循環(huán)性能。因此，可以通過設(shè)計(jì)合成復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，以克服Si在充放電過程中體積膨脹的缺點(diǎn)，提高材料的庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性，從而制備出理想的電極。目前，已有大量的研究集中在以碳納米管和石墨作為導(dǎo)電基底，來容納活性電極材料在循環(huán)中的體積變化。總之，研究者通過形貌或結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如制備不同形貌的Si納米結(jié)構(gòu)、Si/金屬復(fù)合材料或 Si/C復(fù)合材料，均可顯著提高Si基負(fù)極材料的電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容