[發明專利]鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料及其制法和應用

有效

• 申請號: 201710325134.4
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107293705B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 禹筱元;張聰聰;許東輝
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 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: 44245 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 雷月華;裘暉<國際申請>=<國際公布>=

本發明公開了一種鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料及其制法和應用。制備方法包括如下步驟：竹炭經過硝酸鎳和濃硝酸兩步活化，洗滌烘干備用；將改性竹炭加入水中，室溫下邊超聲邊攪拌，分散均勻后加入金屬鹽溶液，恒溫下攪拌一段時間，抽濾烘干，氣氛保護條件下熱處理得竹炭/金屬氧化物復合負極材料。本發明通過對竹炭的活化，使金屬陽離子更密切的附著在竹炭表面和孔道中，反應后形成竹炭與氧化物復合材料具有穩定的結構。將上述竹炭/金屬氧化物復合材料應用于鋰離子電池負極，具有良好的電化學性能。竹炭以及過渡金屬鹽來源廣泛、價格低廉、安全環保，而且本發明采用方法簡單、重復性好、可操作性強。

技術領域

本發明屬于電化學材料領域，具體涉及一種鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池商業化的石墨負極材料在充放電過程中生成的SEI膜，會造成不可逆容量損失，有時還會導致碳電極內部結構的變化和接觸不良；高溫時可能會因保護層的分解，導致電池失效或引起安全性問題；同時石墨負極的單位體積容量相對較低，難于滿足諸如電動汽車、風能太陽能儲能、智能電網等領域高能量密度電池的要求。因此開發一種低成本、高容量、性能優良而且對環境無污染的負極材料，盡快推進鋰離子動力電池的產業化具有非常重要的現實意義。納米過渡金屬氧化物因具有高的比容量已成為鋰離子電池負極材料的研究熱點，但在充放電過程中因發生嚴重的體積變化，導致活性材料粉碎脫落和電極結構的破壞而影響其循環性能。

針對以上問題，目前采用的方法主要有將材料納米化，或與碳材料復合緩沖體積變化，改善電化學性能。通常采用的碳基底材料主要有石墨、石墨烯和碳納米管等，但制備成本較高或環境污染較嚴重。近幾年來，生物質材料經過簡單碳化處理后既可以得到具有特殊形貌的碳材料，與其他儲鋰材料復合可制得性能良好的鋰離子電池負極材料。我國是世界竹林種類豐富的國家之一，但竹材精深加工卻滯后，科技支撐力度不夠，竹業總體效益不高。其中竹炭是竹材熱解得到的主要產品，因為竹子維束管的構造，竹炭的顯微構造類似并接近于洋蔥狀富勒烯碳和展開的碳納米管的特殊結構；另外竹炭具有連續的網絡三維大孔微孔結構，大孔的孔壁上還存在著許多的小孔，這種大孔套小孔的特殊微觀結構可形成電化學雙電層的有效表面和通道，增加比容量，同時可大大地增加竹炭的比表面積，有利于電解液離子的進入和遷移；其次竹炭孔洞內有豐富的-COOH、OH等親水基團，有利于納米過渡金屬氧化物以納米級別存在于竹炭的孔洞結構中，形成“立體的納米薄膜”，消除體積膨脹的問題。因此以具有豐富孔洞的竹炭為基體，構建一種三維立體分級微大孔竹炭/納米過渡金屬氧化物復合材料有重要意義，而且該類研究鮮有報道。

發明內容

為克服現有技術中鋰離子電池納米過渡金屬氧化物負極材料循環性能不足的缺陷，本發明的首要目的在于提供一種鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料的制備方法。

本發明的另一目的在于提供上述制備方法制得的鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料。

本發明的再一目的在于提供一種應用上述鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料制備的鋰離子電池。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種鋰離子電池負極材料多孔竹炭/納米過渡金屬氧化物復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)取竹炭和硝酸鎳，混合均勻后在惰性氣氛保護下煅燒，取出后酸洗活化一段時間，抽濾洗滌，烘干，得到改性竹炭；

(2)取改性竹炭分散到水中，分散均勻后加入過渡金屬鹽溶液，恒溫下攪拌反應一段時間，冷卻后抽濾洗滌，烘干得竹炭/過渡金屬氧化物前驅體備用；

(3)將竹炭/過渡金屬氧化物前驅體于惰性氣氛保護下熱處理一段時間，得多孔竹炭/納米過渡金屬氧化物復合負極材料(即所述鋰離子電池竹炭/金屬氧化物復合負極材料)。