[发明专利]一种过渡金属氧化物纳米片阵列@碳纸电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属氧化物纳米片阵列@碳纸电极材料及其制备方法，属于锂离子电池用负极材料的制备领域。该制备方法包括以下过程：将六水合硝酸钴和三水合硝酸铜通过超声的方法溶解在超纯水A中，将2‑甲基咪唑（2‑MIM）也通过超声的方法溶解在超纯水B中。在磁力搅拌条件下将B溶液加入A溶液中。在上述混合溶液中加入干净的纸巾并在室温下反应后冲洗干净及干燥。将干燥后的样品进行碳化处理得到Cu掺杂的Co/CoO纳米片阵列@碳纸电极材料。制备的电极材料是多孔的纳米片阵列密集的生长在纸巾衍生的碳纸基底上，可以直接作为电极使用，具有较高的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池用负极材料的制备领域，具体涉及一种过渡金属氧化物纳米片阵列@碳纸电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、自放电小和无记忆效应等诸多优点，已经广泛应用于新能源电动汽车和各类便携式电子设备（手机、笔记本电脑、相机）等各个领域。但人们对锂离子电池的需求不断上升，从负极的角度出发就需要开发出具有可逆容量高、倍率性能优良和循环稳定性良好的电极材料。过渡金属氧化物具有较高的理论容量而得到人们的广泛关注。但是过渡金属氧化物在嵌锂/脱锂过程中存在体积膨胀和低电导率的问题，所以通常引入碳构成复合材料来改善这些问题以提高电极材料的循环稳定性。

另外，传统的电极材料通常以粉末形式存在，在涂覆到集流体上前需要与聚合物粘结剂等添加剂混合，导致界面电阻大幅度增加。一种改善办法是，将活性材料直接生长在集流体上，这样既避免了粘结剂的添加带来的弊端，又使得活性材料与集流体的接触更加紧密。目前报道的既可生长活性物质又可作为集流体的材料主要有泡沫镍、碳布。但是，从实际应用中轻量化的角度考虑，这些集流体比重大，用作集流体时会大大增加整个电极的单位面积质量，拉低了整个电极的质量比容量。因此，需要寻找可替代的轻质导电基底来改善该问题。一方面，经调研发现目前已有在碳纸上生长薄膜并应用于电化学的文献报道，但是采用的碳纸本身是导电的，成本高。另一方面，通过前期的探索，发现商业化的洁柔牌纸巾本身轻质柔软，成本低。尽管它本身不导电，但它碳化后具有良好的导电性，用作基底能有效提高电极的质量比容量。此外，增大电解液和电极的接触面积可以提高锂离子电池的性能，而一种有效的提高该接触面积的方法就是将材料以阵列形式排列在基底上。基于以上考虑，以纸巾衍生的碳纸为基底生长过渡金属氧化物纳米片阵列制备出具有高性能的锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的大多数用于生长活性材料的基底比重较大的问题，提供了在纸巾衍生生长过渡金属氧化物纳米片阵列并直接用作电极及其制备方法。制备的电极材料在微观形貌上是密集的过渡金属氧化物纳米片生长在纸巾衍生的碳纸基底上，具有较高的比容量、循环稳定性和优良的倍率性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种过渡金属氧化物纳米片阵列@碳纸电极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）分别称取194~582 mg的六水合硝酸钴和81~242 mg三水合硝酸铜分别加入到盛有30~60 mL超纯水的烧杯A中，超声5分钟使其溶解。然后将0.66~2 g 2-甲基咪唑溶解在加入到另一个盛有30~60 mL超纯水的烧杯B中，超声使其溶解。之后在磁力搅拌的条件下将B烧杯中的溶液在90s内均速加入A烧杯中；

（2）将一片干净的纸巾放入步骤（1）的混合溶液中并在室温下反应1~3 h，待反应结束后用超纯水和无水乙醇冲洗4~5次，最后将洗涤后的样品置于烘箱中干燥；

（3）将步骤（2）烘干的样品放入瓷舟中，然后将瓷舟置于混合气（Ar + 5vol%H2）保护的管式炉中进行碳化处理，碳化温度为400~600 ℃，升温速率为2 ℃/分钟，保温2~4小时，最后待其自然冷却到室温，制备得到Cu掺杂的Co/CoO纳米片阵列@碳纸电极材料。

本发明所制得的电极材料，样品轻质可弯曲，Cu掺杂的Co/CoO纳米片阵列均匀地分布在纸巾衍生的碳纸基底上。