[发明专利]一种自支撑双碳层复合结构锂离子电池负极及其制备方法

说明书

本发明提供一种自支撑双碳层复合结构锂离子电池负极及其制备方法。其步骤是：称取聚乙烯缩丁醛溶解在乙醇中，搅拌至的胶体状溶液，加入硝酸镓，葡萄糖，搅拌至形成均匀的胶体溶液；将胶体溶液滴加于亲水碳纤维织物表面至完全浸润，室温下放置通风干燥；将其在烘箱中继续烘干后于400℃~650℃管式炉中氮气或者氩气条件下烧结得到碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维复合材料。该材料以碳纤维作为模板，利用具有粘度的高聚物分子和葡萄糖与Ga₂O₃均匀复合并增强Ga₂O₃与碳基体的接触，最终形成一种自支撑双碳层碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维复合结构并直接作为锂离子电池负极。所得碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维复合材料可用于锂离子电池负极，能够显示良好的电化学性能特性，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一类锂离子电池负极，特别涉及一种自支撑双碳层碳包覆Ga₂O₃并包覆碳纤维复合结构制备方法，属于电化学电源领域。

技术背景

传统化石能源的大量消耗带来的环境污染问题对社会经济快速发展带来一定的冲击。新能源产业的迅猛发展，体现了人类社会对改善现有不合理的能源结构的意识逐渐增强。人们通过研究高性能的转换器件和储能设备来高效利用地球上那些具有随机性、间歇性等特点的新型清洁能源和可再生清洁能源。锂离子电池凭借其清洁高效、质量轻和循环寿命长等优点在电化学储能领域被广泛运用。

近年来，随着新型混合动力汽车和纯电动汽车的兴起，高能量密度，高功率密度锂离子电池的研发显得尤为迫切，急需开发新型高性能电极材料。转换型过渡金属化合物具有高理论容量特性，一直是新型负极材料的研究热点。

镓基化合物具有广泛应用领域。比如，氧化镓薄膜半导体材料具有独特的光、电性能，被广泛应用到功率器件上。最近，Ga₂O₃、GaN作为锂离子电池负极材料显示了较高的理论容量，具有潜在应用价值。然而，Ga₂O₃作为锂离子电池负极材料面临导电性差（接近绝缘体），体积效应大等问题，使得其电化学性能不理想。传统改善转换型电极材料电化学性能的手段包括碳复合与导电自支撑结构设计。目前，关于Ga₂O₃自支撑电极设计的研究尚未见报道。

发明内容

基于以上背景，本专利发明一种碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维自支撑电极结构，从内到外依次为碳纤维层、Ga₂O₃层、碳层；过程中先形成碳包覆Ga₂O₃、再将碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维，用作锂离子电池负极显示了优异的电化学性能。

本发明结合溶胶沉积和高温烧结制备碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维自支撑电极。首先将适量硝酸镓和葡糖糖溶解在聚乙烯醇缩丁醛胶体溶液中，然后将亲水碳纤维织物浸泡在所得溶液中，取出烘干。最后，通过高温烧结得到碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维复合结构。双碳结构可以极大改善Ga₂O₃的导电性和循环过程中的体积效应，从而提升其性能。

本发明涉及一种锂离子电池自支撑电极的制备方法，电极结构为碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维。所制备的自支撑双碳层碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维复合结构可用作锂离子电池负极，显示出了良好的电化学性能。

碳包覆Ga₂O₃包覆碳纤维负极材料的具体制备方法如下：