[發(fā)明專利]基于中空管狀三維納米多孔結(jié)構(gòu)的鋰離子電池銅-銅氧化物一體化負(fù)極及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011148099.1
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112349875B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉文博;成朋;盧勃勃;顏家振;李寧
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: H01M4/131
• 分類號: H01M4/131;H01M4/1391;H01M10/0525
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本發(fā)明提供了一種基于中空管狀三維納米多孔結(jié)構(gòu)的鋰離子電池銅?銅氧化物一體化負(fù)極，由具有中空管狀三維納米多孔結(jié)構(gòu)的銅和銅氧化物膜組成，所述銅氧化物膜為CuO膜或Cu₂O膜或CuO和Cu₂O的混合膜，且銅和銅氧化物膜是一體化的；銅氧化物膜是由三維納米多孔銅表面經(jīng)部分氧化原位形成的連續(xù)一體化膜，并構(gòu)成核殼結(jié)構(gòu)三維納米多孔銅?銅氧化物前驅(qū)體，再經(jīng)部分選擇性腐蝕上述核殼結(jié)構(gòu)三維納米多孔銅?銅氧化物的孔壁芯部形成具有中空管狀三維納米多孔結(jié)構(gòu)的鋰離子電池銅?銅氧化物一體化負(fù)極。本發(fā)明還提供了該負(fù)極的制備方法。本發(fā)明提供的方法能簡化鋰離子電池負(fù)極的生產(chǎn)工藝并有效提高鋰離子電池負(fù)極的比容量和循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池負(fù)極領(lǐng)域，涉及基于中空管狀三維納米多孔結(jié)構(gòu)的鋰離子電池銅-銅氧化物一體化負(fù)極及制備方法。

背景技術(shù)

由于石油、煤炭和天然氣等不可再生資源的大量使用，不僅會造成環(huán)境問題，而且終會面臨資源枯竭的難題。所以，近年來，全球范圍內(nèi)的學(xué)者和專家都在致力于尋找和開發(fā)風(fēng)能、太陽能、水能和潮汐能等綠色可再生能源，以推動綠色、環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這些清潔能源都需要能量儲能/轉(zhuǎn)換裝置的有效支持，以補(bǔ)償其供應(yīng)持續(xù)性差和波動性大等問題。鋰離子電池作為一種可再生能源的儲能設(shè)備，因其具有能量密度高、循環(huán)壽命長以及環(huán)境友好等特點(diǎn)而得到了廣泛的研究。鋰離子電池目前已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備的電源。隨著電子設(shè)備市場和電動汽車行業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池行業(yè)迫切需要開發(fā)新型電極材料以滿足對鋰離子電池續(xù)航能力、安全性等方面不斷提高的要求。新型電極材料的發(fā)展方向是具有較高的能量密度和長期的循環(huán)穩(wěn)定性。

目前，商用負(fù)極材料石墨具有十分有限的理論儲鋰容量（372 mAh g ^-1），遠(yuǎn)未達(dá)到高能量/功率密度水平。為了滿足不斷增長的容量和倍率性能要求，采用過渡金屬氧化物來替換傳統(tǒng)石墨是近年來主要措施之一，過渡金屬氧化物被視為極具發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池負(fù)極候選材料。銅氧化物（Cu_xO，X=1，2）作為過渡金屬氧化物負(fù)極材料，因其比容量高、制備容易、價格低廉和形狀多樣性等優(yōu)勢而備受關(guān)注。但是由于氧化亞銅作為負(fù)極材料存在兩點(diǎn)不足：（1）銅氧化物是半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性較差；（2）銅氧化物作為過渡金屬氧化物，循環(huán)穩(wěn)定較差。這些都嚴(yán)重制約了銅氧化物負(fù)極材料的未來發(fā)展。

Wen-Bei Yu等通過簡單的水熱法合成了中空Cu₂O微米球。（Probing theelectrochemical behavior of {111} and {110} faceted hollow Cu-Cu₂Omicrospheres for lithium storage）。首先將 Cu(NO₃)₂·3H₂O₂ (0.002 mol) 溶解到去離子水中，40 mL乙二醇加入到上述溶液。經(jīng)2 h磁力攪拌后，將透明的淡藍(lán)色溶液轉(zhuǎn)移到50mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓鍋中，密封后轉(zhuǎn)移到烤箱中，然后將烤箱溫度提高到180℃，并在此溫度下保溫1 h，固體產(chǎn)物經(jīng)乙醇過濾和洗滌后制得中空Cu₂O微米球電極材料。將中空Cu₂O微米球與碳黑和聚偏二氟乙烯以質(zhì)量比為7:2:1混合，將所得混合物與N-甲基-2-吡咯烷酮混合調(diào)制成漿料并涂覆在銅箔上，真空干燥得到鋰離子電池負(fù)極。該方法及其制備的鋰離子電池負(fù)極存在以下不足：（1）生產(chǎn)工藝繁瑣，不利于生產(chǎn)成本的降低和實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；（2）活性材料被制成粉狀，隨后混入導(dǎo)電劑和粘合劑制成漿料并涂覆在導(dǎo)電集流體上，烘干后再作為電極使用。其中粘結(jié)劑本身不導(dǎo)電，會阻礙電子傳輸，增加電極極化和阻抗，從而導(dǎo)致倍率性能不佳；（3）在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子的嵌入和脫出會造成巨大的體積變化，依靠粘結(jié)劑粘結(jié)的活性組分之間、活性組分與銅箔之間的結(jié)合力也比較有限，在充放電的巨大體積變化過程中容易造成活性組分的脫落失效。

發(fā)明內(nèi)容