[發(fā)明專利]一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910754186.2
• 申請(qǐng)日: 2019-08-15
• 公開（公告）號(hào): CN110600692B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林曉明;林佳;陳躍穎;蔡躍鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/42;H01M4/525;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州駿思知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44425
• 代理人: 吳靜芝

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法及應(yīng)用，由Zn?Co?ZIF、銅離子、碳納米管和泡沫銅復(fù)合而成。本發(fā)明通過在多元過渡金屬氧化物中引入碳納米管和泡沫銅，利用泡沫銅的三維多孔結(jié)構(gòu)、高孔隙率以及高比表面積，使負(fù)極材料能有效地緩沖體積膨脹變化，增強(qiáng)反應(yīng)位點(diǎn)和協(xié)同效應(yīng)；利用碳納米管的高導(dǎo)電性以及良好的力學(xué)性能，有效提高了該負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性，加速了鋰離子擴(kuò)散。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、開路電壓高、自放電小、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、移動(dòng)通訊設(shè)備電源、儲(chǔ)能等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的鋰離子電池負(fù)極材料有碳素負(fù)極材料，碳材料通常是無序結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度或石墨化度低，晶粒尺寸小，晶面間距較大，與電解液的相容性較好，但首次充放電不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺(tái)電壓，其中傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料理論比容量為372mAhg^-1，已經(jīng)不能滿足新一代高比容量電池負(fù)極材料的需求，為此，開發(fā)新型高比容量鋰離子電池負(fù)極材料迫在眉睫。

相比于傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料，多元過渡金屬氧化物擁有高的理論容量和實(shí)際充放電容量，作為鋰離子電池的高性能負(fù)極材料的候選者。但是，多元過渡金屬氧化物面臨著導(dǎo)電性差和體積膨脹效應(yīng)等明顯的固有缺陷，進(jìn)而限制了其廣泛應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的鋰離子電池電極材料的制備工藝設(shè)計(jì)調(diào)漿、涂布、干燥等復(fù)雜工藝，制備過程耗時(shí)長、步驟煩冗，對(duì)電池及其電極材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有一定的限制。因此，合成一種制備工藝簡(jiǎn)單且具有優(yōu)異鋰離子儲(chǔ)存性能的多元過渡金屬氧化物負(fù)極材料仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鋰離子電池負(fù)極材料，其具有簡(jiǎn)化的制備工藝、免導(dǎo)電劑、免粘結(jié)劑、良好的機(jī)械強(qiáng)度、電子導(dǎo)電性，以及優(yōu)異的長循環(huán)性能和卓越的高倍率性能。

本發(fā)明是基于以下發(fā)明構(gòu)思實(shí)現(xiàn)的：一種鋰離子電池負(fù)極材料，由Zn-Co-ZIF、銅離子、碳納米管和泡沫銅復(fù)合而成。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過在多元過渡金屬氧化物中引入碳納米管和泡沫銅，利用泡沫銅的三維多孔結(jié)構(gòu)、高孔隙率以及高比表面積，使制備得到的負(fù)極材料能有效地緩沖體積膨脹變化并避免嵌鋰/脫鋰過程中電極活性物質(zhì)的脫落，增強(qiáng)反應(yīng)位點(diǎn)和協(xié)同效應(yīng)；利用碳納米管的高導(dǎo)電性以及良好的力學(xué)性能，有效提高了該負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性，加速了鋰離子擴(kuò)散；同時(shí)，由于碳納米管、泡沫銅以及多元過渡金屬氧化物之間緊密接觸，使其具有出色的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，以及優(yōu)異的增強(qiáng)動(dòng)力學(xué)和高倍率性能。此外，所制備的泡沫銅基電極材料可以直接作為免粘結(jié)劑、免導(dǎo)電劑的自支撐材料組裝電池，極大地簡(jiǎn)化了電極材料制備工藝。

進(jìn)一步地，所述Zn-Co-ZIF與碳納米管復(fù)合形成Zn-Co-ZIF@CNTs，所述Zn-Co-ZIF@CNTs與所述銅離子進(jìn)行離子交換形成Zn-Co-Cu-ZIF@CNTs，所述Zn-Co-Cu-ZIF@CNTs原位生長在所述泡沫銅上形成前驅(qū)體Zn-Co-Cu-ZIF@CNTs/CF，將所述前驅(qū)體Zn-Co-Cu-ZIF@CNTs/CF在氮?dú)鈿夥罩徐褵@得所述鋰離子電池負(fù)極材料Cu_0.39Zn_0.14Co_2.47O₄-CuO@CNTs/CF。

基于本發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

S1、制備Zn-Co-ZIF@CNTs：將氫氧化鈉溶液滴入至2-甲基咪唑溶液中，加入十六烷基三甲基溴化銨和十二烷基硫酸鈉后超聲處理形成溶液A；將Co(NO₃)₂溶液、Zn(NO₃)₂溶液和碳納米管混合超聲處理形成溶液B；將所述溶液B快速倒入溶液A中，并通過微波輔助法反應(yīng)，再通過離心、洗滌、干燥獲得Zn-Co-ZIF@CNTs；