[发明专利]碳纳米管阵列/氧化镍纳米颗粒同轴复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用负极材料，具体涉及一种碳纳米管阵列/氧化镍纳米颗粒同轴复合负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料领域。 

背景技术

随着电动汽车、便携式电子产品的快速发展，人们对高性能二次电池的需求与日俱增，锂离子电池由于电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、可快速充放电等优点而广受关注。 

但是，目前商用锂离子电池石墨化碳负极材料的理论比容量为372mAh/g，受其限制难以进一步提高材料的比容量。在新一代负极材料的开发过程中，NiO由于其储量丰富、成本低、理论比容量高（718mAh/g）而受到广泛关注。但NiO材料在嵌/脱锂离子的过程中大的体积变化造成的材料破碎失效和低电导导致了NiO作为负极材料时循环稳定性差和高速充放电条件下充放电性能不佳的问题，继而阻碍了NiO作为负极材料的实际应用。人们试图通过NiO材料纳米化解决这一难题。但研究表明，将NiO制备成一维纳米管难以取得良好的效果，仅经20次充放电之后可逆比容量便从约470mAh/g下降至170mAh/g左右（S.A.Needham,Synthesis of NiO nanotubes for use as negative electrodes in lithium ion batteries,Journal of Power Sources,159:254–257(2006)）；而将NiO制备成二维纳米薄层同样难以取得良好的效果，经50次充放电之后可逆比容量从约1000mAh/g下降至仅145mAh/g。其主要原因是NiO材料在嵌/脱锂离子的过程中低电导、纳米材料团聚和体积变化效应改善有限（Yun Huang,Self-assembly of ultrathin porous NiO nanosheets/graphene hierarchical structure for high-capacity and high-rate lithium storage,J.Mater.Chem.,22:2844-2847(2012)）。 

因此，制备一种不易因体积变化导致材料破碎失效、高电导、不易团聚的NiO负极材料对于获得高性能的锂离子电池具有十分现实的意义。中国专利CN 102522218A公开一种纳米氧化镍/石墨烯复合电极材料及其制备方法和作为超级电容器的电极的应用，中国专利CN102169987A公开一种石墨烯负载多孔氧化镍及其制备方法和作为锂离子电池阳极材料的应用。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种在金属集流器上直接原位生长碳纳米管 阵列/NiO纳米颗粒同轴复合材料的方法，获得一种不易因体积变化导致材料破碎失效、高电导、不易团聚，因而具有良好循环性能和高比容量的电极材料，并将其作为负极材料应用于锂离子电池。 

在此，一方面，本发明提供一种碳纳米管阵列/氧化镍纳米颗粒同轴复合负极材料，所述复合负极材料包括原位生长于金属集流基底上的碳纳米管阵列、以及均匀分布在所述碳纳米管阵列外表面并与其直接结合的氧化镍纳米颗粒，其中所述氧化镍纳米颗粒在所述复合负极材料中所占重量百分比为50～85%。 

在本发明中，所述NiO纳米颗粒均匀分散并附着于机械性能优异的所述碳纳米管上，解决了NiO材料在嵌/脱锂离子过程中的因体积变化和不良的机械性能而引起的电池循环能力差的状况及纳米颗粒团聚的问题。 

而且，所述NiO纳米颗粒与所述碳纳米管导电网络直接结合，消除了因粘结剂和导电剂添加而引起的额外电阻、锂离子扩散阻抗和活性材料重量，从而获得了更大的比容量和更好的高速率充放电条件下的电池性能。 

所述氧化镍纳米颗粒的平均粒径为50nm以下，多为5～20nm。因此，所述碳纳米管阵列/氧化镍复合材料大的比表面积和所述氧化镍纳米颗粒的纳米尺寸减小了充放电过程中锂离子在氧化镍中的扩散距离，从而保证了活性材料的高效利用，有利于获得更高的比容量和更好的高速率充放电条件下的电池性能。 

所述碳纳米管阵列的高度为80～300μm，且大多数碳纳米管的高度超过200μm。其在所述复合电极材料中既是导电支架也是活性材料的一部分，高的阵列厚度有利于更多的活性材料NiO加载，提高活性材料/惰性材料（包括金属箔集流器和隔膜等）的重量比，使相同重量或相同体积的锂离子电池中含有更多的活性材料，从而使电池有更高的容量、功率和能量，对实际应用具有重要意义。 

又，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的直径为10nm。