[發明專利]一種用于鋰離子電池的碳芯/氧化銅外殼復合電極及其制備方法

在審

• 申請號: 201710037810.8
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106602036A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 袁偉;羅健;潘保有;邱志強;黃詩敏;閆志國;譚振豪;湯勇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/48;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體涉及一種用于鋰離子電池的碳芯/氧化銅外殼復合電極及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池屬于綠色高能可充電化學電源，具有電壓高、能量密度大、循環性能好、自放電小、無記憶效應等突出優點，在運載工具、便攜式電子設備、通信用后備電源、空間技術、國防工業等領域得到了廣泛應用。

碳類材料是目前鋰離子電池中應用最為廣泛的負極材料，具有合適的嵌鋰電位（0.15~0.25Ｖ），導電性好，循環穩定，而且資源豐富，價格低廉，已長期成為市場主流。然而碳類材料的理論比容量較低（372mAh·g^-1），已經滿足不了人們對能源的過高需求，因此人們迫切需要儲鋰性能好，理論容量高的新型活性物質替代傳統的石墨材料應用于鋰離子電池領域，以解決能源供不應求的困窘局面。過渡金屬氧化物由于其儲鋰性能好、理論容量高、制備簡單、原材料來源廣泛等優點引起了海內外廣大研究學者的強烈興趣。氧化銅作為最常見的過渡金屬氧化物，由于其理論比容量較高 (674mAh·g^-1)、制備簡單、成本較低等優點，已逐漸應用于鋰離子電池中。然而氧化銅的導電性較差，因此將純氧化銅作為負極活性物質應用于鋰離子電池中會不可避免地造成電池的循環壽命、庫倫效率和充放電穩定性的下降。為了解決這個問題，廣大研究學者目前主要通過添加導電添加劑、合成復合材料和修飾活性物質形態等方法來改善氧化銅作為負極活性物質的電池的綜合性能。比如通過添加導電石墨、碳納米管、金屬粉末等導電材料來改善電極的導電性，通過合成CuO復合納米線、納米棒、納米花等結構來提高電池的循環壽命以及可逆容量等。這些方法都在一定程度上解決了CuO導電性差而導致電池性能下降的問題。

此外，鋰離子電池在循環充放電過程中，活性物質內部的嵌鋰和脫鋰過程不可避免地會造成活性物質顆粒體積的膨脹和收縮，從而造成電極材料的粉化現象，影響電池的循環壽命。因此，限制活性物質在嵌鋰和脫鋰過程中的體積變化無疑是延長電池循環壽命，改善電池綜合性能的有效手段。比如有研究學者通過在硅顆粒表面碳化一層碳薄層來限制電池充放電過程中硅顆粒劇烈的體積變化，從而改善電池的循環壽命和可逆容量。還有學者通過化學鍍銅法使硅顆粒表面實現金屬化，從而改善鋰離子電池的各項電化學性能。

發明內容

為了提高CuO作為電池負極材料時電極的導電性，限制碳類活性物質在電池充放電過程中的體積的變化，從而提高電池的可逆容量、循環壽命、充放電穩定性等電化學性能，本發明提供了一種用于鋰離子電池的碳芯/氧化銅外殼復合電極。

本發明還提供所述一種用于鋰離子電池的碳芯/氧化銅外殼復合電極的制備方法。

本發明通過如下技術方案實現。

一種用于鋰離子電池的碳芯/氧化銅外殼復合電極，芯部為碳纖維，外殼為氧化銅薄層；所述的氧化銅薄層具有陣列型的納米針狀結構和納米孔狀結構；所述納米針狀結構在氧化銅薄層的外表面，所述納米孔狀結構為貫通氧化銅薄層的孔。

所述的一種用于鋰離子電池的碳芯/氧化銅外殼復合電極的制備方法，包括鍍銅碳纖維的制備、鍍銅碳纖維的燒結成型和成型鍍銅碳纖維氈的表面氧化處理。

進一步地，所述鍍銅碳纖維的制備，包括如下步驟：

（1）表面除膠：將碳纖維置于高溫電阻爐內空氣中灼燒，除去碳纖維表面的保護膠，提高鍍層與碳纖維的結合力，減小鍍層和碳纖維之間的接觸電阻；

（2）表面粗化：將灼燒后的碳纖維置于 (NH₄)₂S₂O₈溶液中超聲波浸泡，使碳纖維表面粗化和呈親水性；隨后用NaOH溶液浸泡，除去碳纖維表面殘余的 (NH₄)₂S₂O₈，再用去離子水清洗；

（3）表面敏化：將粗化后的碳纖維置于由SnCl₂、HCl和H₂O配制而成的敏化液中浸泡，然后用去離子水進行靜水漂洗；

（4）表面活化：將敏化后的碳纖維置于由AgNO₃、NH₃·H₂O和H₂O配制而成的活化液中浸泡，然后用去離子水將碳纖維清洗至黑色；