[发明专利]中空多孔氧化亚铜-氧化铜-三氧化二铁立方体锂离子电池负极及其一步制备法

说明书

本发明提供了基于三维多孔铜骨架原位生长的中空多孔氧化亚铜‑氧化铜‑三氧化二铁立方体锂离子电池负极，由三维多孔铜骨架和中空多孔氧化亚铜‑氧化铜‑三氧化二铁立方体组成，中空多孔氧化亚铜‑氧化铜‑三氧化二铁立方体是由三氧化二铁纳米颗粒以及三维多孔铜骨架表面部分氧化原位形成的氧化亚铜纳米颗粒和氧化铜纳米颗粒组装而成的中空多孔结构的立方体，中空多孔氧化亚铜‑氧化铜‑三氧化二铁立方体均匀分布于三维多孔铜骨架表面。本发明还提供了该负极的一步制备法。本发明提供的锂离子电池负极能有效缓冲锂离子电池在充放电过程中的体积变化，避免活性组分在锂离子电池充放电过程中脱落，显著提高锂离子电池负极的比容量和循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极领域，涉及中空多孔氧化亚铜-氧化铜-三氧化二铁立方体锂离子电池负极及其一步制备法。

背景技术

由于石油、煤炭、天然气等不可再生资源的大量使用，不仅会造成环境问题，而且终会面临资源枯竭的难题。所以，近年来全球范围内的专家和学者都在致力于寻找和开发风能、太阳能、水能、潮汐能等绿色可再生能源，以推动绿色、环境友好型经济发展。这些清洁能源都需要储能和转换装置的有效支持，以补偿其间歇性的特征。锂离子电池作为一种可再生能源的储能设备，因具有能量密度高、循环寿命长以及环境友好等特点而得到了广泛的研究和应用。特别是，目前锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备的电源。随着电子设备市场和电动汽车行业的快速发展，现阶段急切需要开发新型电极材料以满足对锂离子电池续航能力和安全性等方面不断提高的要求。而新型电极材料的发展方向是具有较高的能量密度和长期的循环稳定性。

目前，商用的石墨阳极材料，由于其理论容量相对较低（372 mAh/g），远未达到高能量/功率密度水平，大大限制了其进一步广泛应用。而具有形态和内部结构受控的纳米结构过渡金属化合物因其在能源存储等领域的广泛应用，目前已受到大量关注。其中，Cu₂O、CuO和Fe₂O₃具有安全性高、来源丰富、无毒、成本低等优点，被认为是锂电池极具发展前景的阳极材料，对下一代高效储能具有重要意义。尽管过渡金属氧化物具有十分诱人的容量优势，然而直接将过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料，由于其较低的离子传输速率、电导率以及充放电过程中产生的巨大体积变化，会不可避免地造成较差的循环稳定性和循环过程中较大的极化。

Xue Dongfeng等公开了以Cu₂O立方体作为高性能锂离子电池负极的内容（Faceted Cu₂O structures with enhanced Li-ion battery anode performances，CrystEngComm, 2015, 17,2110.）。首先将CuSO₄、柠檬酸钠和NaOH溶于水中，然后加入抗坏血酸溶液，搅拌约2~3 h后，滤除黄色沉淀物，干燥，得到Cu₂O立方体。将Cu₂O立方体与碳黑和聚偏二氟乙烯混合，将所得混合物与N-甲基-2-吡咯烷酮混合调制成浆料并涂覆在铜箔上，真空干燥得到锂离子电池负极。该方法及其制备的锂离子电池负极存在以下不足：（1）生产工艺繁琐，不利于生产成本的降低和实现规模化生产；（2）在制备锂离子电池负极时使用粘结剂将Cu₂O立方体和碳黑粘结在铜箔上，而粘结剂本身不导电，会阻碍电子传输，增加电极极化和阻抗，从而导致倍率性能不佳；（3）在锂离子电池的充放电过程中，锂离子的嵌入和脱出会造成巨大的体积变化，该方法制备的锂离子电池负极在结构上不具备有效缓冲充放电过程中产生的巨大体积变化的能力，依靠粘结剂粘结的活性组分之间、活性组分与铜箔之间的结合力也比较有限，在充放电的巨大体积变化过程中容易造成活性组分的脱落失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供中空多孔氧化亚铜-氧化铜-三氧化二铁立方体锂离子电池负极及其一步制备法，通过对锂离子电池负极的结构进行改进，以有效缓冲充放电过程中体积变化，避免活性组分在锂离子电池充放电过程中脱落，提高锂离子电池负极的比容量和循环性能。