一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极及其制备方法技术

技术编号:15227529 阅读:206 留言:0更新日期:2017-04-27 10:28
本发明专利技术公开了一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极及其制备方法。该碳芯/氧化铜外壳复合电极的芯部为碳纤维,外壳为氧化铜薄层;所述的氧化铜薄层具有阵列型的纳米针状结构和纳米孔状结构。该碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法包括如下步骤:(1)镀铜碳纤维的制备;(2)镀铜碳纤维的烧结成型;(3)成型镀铜碳纤维毡的表面氧化处理。本发明专利技术碳芯/氧化铜外壳复合电极提高了锂离子电池的充放电容量,提高了锂离子电池的循环寿命、库伦效率以及循环稳定性等电化学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池
,具体涉及一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池属于绿色高能可充电化学电源,具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点,在运载工具、便携式电子设备、通信用后备电源、空间技术、国防工业等领域得到了广泛应用。碳类材料是目前锂离子电池中应用最为广泛的负极材料,具有合适的嵌锂电位(0.15~0.25V),导电性好,循环稳定,而且资源丰富,价格低廉,已长期成为市场主流。然而碳类材料的理论比容量较低(372mAh·g-1),已经满足不了人们对能源的过高需求,因此人们迫切需要储锂性能好,理论容量高的新型活性物质替代传统的石墨材料应用于锂离子电池领域,以解决能源供不应求的困窘局面。过渡金属氧化物由于其储锂性能好、理论容量高、制备简单、原材料来源广泛等优点引起了海内外广大研究学者的强烈兴趣。氧化铜作为最常见的过渡金属氧化物,由于其理论比容量较高(674mAh·g-1)、制备简单、成本较低等优点,已逐渐应用于锂离子电池中。然而氧化铜的导电性较差,因此将纯氧化铜作为负极活性物质应用于锂离子电池中会不可避免地造成电池的循环寿命、库伦效率和充放电稳定性的下降。为了解决这个问题,广大研究学者目前主要通过添加导电添加剂、合成复合材料和修饰活性物质形态等方法来改善氧化铜作为负极活性物质的电池的综合性能。比如通过添加导电石墨、碳纳米管、金属粉末等导电材料来改善电极的导电性,通过合成CuO复合纳米线、纳米棒、纳米花等结构来提高电池的循环寿命以及可逆容量等。这些方法都在一定程度上解决了CuO导电性差而导致电池性能下降的问题。此外,锂离子电池在循环充放电过程中,活性物质内部的嵌锂和脱锂过程不可避免地会造成活性物质颗粒体积的膨胀和收缩,从而造成电极材料的粉化现象,影响电池的循环寿命。因此,限制活性物质在嵌锂和脱锂过程中的体积变化无疑是延长电池循环寿命,改善电池综合性能的有效手段。比如有研究学者通过在硅颗粒表面碳化一层碳薄层来限制电池充放电过程中硅颗粒剧烈的体积变化,从而改善电池的循环寿命和可逆容量。还有学者通过化学镀铜法使硅颗粒表面实现金属化,从而改善锂离子电池的各项电化学性能。
技术实现思路
为了提高CuO作为电池负极材料时电极的导电性,限制碳类活性物质在电池充放电过程中的体积的变化,从而提高电池的可逆容量、循环寿命、充放电稳定性等电化学性能,本专利技术提供了一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极。本专利技术还提供所述一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法。本专利技术通过如下技术方案实现。一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极,芯部为碳纤维,外壳为氧化铜薄层;所述的氧化铜薄层具有阵列型的纳米针状结构和纳米孔状结构;所述纳米针状结构在氧化铜薄层的外表面,所述纳米孔状结构为贯通氧化铜薄层的孔。所述的一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法,包括镀铜碳纤维的制备、镀铜碳纤维的烧结成型和成型镀铜碳纤维毡的表面氧化处理。进一步地,所述镀铜碳纤维的制备,包括如下步骤:(1)表面除胶:将碳纤维置于高温电阻炉内空气中灼烧,除去碳纤维表面的保护胶,提高镀层与碳纤维的结合力,减小镀层和碳纤维之间的接触电阻;(2)表面粗化:将灼烧后的碳纤维置于(NH4)2S2O8溶液中超声波浸泡,使碳纤维表面粗化和呈亲水性;随后用NaOH溶液浸泡,除去碳纤维表面残余的(NH4)2S2O8,再用去离子水清洗;(3)表面敏化:将粗化后的碳纤维置于由SnCl2、HCl和H2O配制而成的敏化液中浸泡,然后用去离子水进行静水漂洗;(4)表面活化:将敏化后的碳纤维置于由AgNO3、NH3·H2O和H2O配制而成的活化液中浸泡,然后用去离子水将碳纤维清洗至黑色;(5)表面镀铜:将活化后的碳纤维置于由NaKC4H4O6·4H2O、CuSO4·5H2O、HCHO、NaOH和H2O配制而成的镀液中,用磁力搅拌器搅拌至溶液无气泡产生,最后用去离子水清洗,真空烘干,得到所述镀铜碳纤维。更进一步地,步骤(1)中,所述碳纤维的长度为1~2mm。更进一步地,步骤(1)中,所述灼烧是在400~500℃下灼烧30~40min。更进一步地,步骤(2)中,所述(NH4)2S2O8溶液的浓度为15~17wt%。更进一步地,步骤(2)中,在(NH4)2S2O8溶液中超声波浸泡的时间为30~40min。更进一步地,步骤(2)中,所述NaOH溶液的浓度为9~11wt%。更进一步地,步骤(2)中,在NaOH溶液中浸泡的时间为5~10min。更进一步地,步骤(2)中,所述去离子水清洗是清洗至洗涤液呈中性。更进一步地,步骤(3)中,由SnCl2、HCl和H2O配制而成的敏化液中,SnCl2的浓度为0.01~0.02g·mL-1,HCl的浓度为38~40mL·L-1。更进一步地,步骤(3)中,所述浸泡的时间为5~10min。更进一步地,步骤(3)中,所述静水漂洗的次数为3~4次。更进一步地,步骤(4)中,由AgNO3、NH3·H2O和H2O配制而成的活化液中,AgNO3的浓度为0.004~0.005g·mL-1、NH3的浓度为9~10mL·L-1。更进一步地,步骤(4)中,所述浸泡的时间为5~10min。更进一步地,步骤(5)中,由NaKC4H4O6·4H2O、CuSO4·5H2O、HCHO、NaOH和H2O配制而成的镀液中,NaKC4H4O6的浓度为0.04~0.05g·mL-1,CuSO4的浓度为0.01~0.02g·mL-1,HCHO的浓度为9~10mL·L-1,NaOH的浓度为0.01~0.02g·mL-1。更进一步地,步骤(5)中,所述磁力搅拌器搅拌的转速为300~400r·min-1。更进一步地,步骤(5)中,所述去离子水清洗是清洗至洗涤液呈中性。更进一步地,步骤(5)中,所述真空干燥是在50~60℃下烘5~6h。进一步地,所述镀铜碳纤维烧结成型,包括如下步骤:用模具将镀铜碳纤维压制成纤维毡,置于真空电阻炉中,高温烧结,得到成型镀铜碳纤维毡。更进一步地,所述碳纤维毡的直径为14~15mm,厚度为0.1~0.2mm。更进一步地,所述烧结是在氢气气氛下进行。更进一步地,所述烧结的温度为750~800℃,烧结的时间为60~70min。进一步地,所述成型镀铜碳纤维毡的表面氧化处理,包括如下步骤:将成型镀铜碳纤维毡置于马弗炉中,空气气氛中高温加热氧化,得到所述用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极。更进一步地,所述加热氧化的温度为400~450℃,时间为1~2h。与现有技术相比,本专利技术具有如下优点和有益效果:(1)本专利技术用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极中,氧化铜薄层的纳米孔状结构有利于电解液中的锂离子轻易通过,进而在碳芯中发生嵌锂和脱锂过程,从而增加锂离子电池的充放电容量;(2)本专利技术用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极,碳芯部分与氧化铜外壳紧密接触,既提高了电极的导电性,又缓冲了氧化铜转化过程中的体积变化程度;(3)本专利技术用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极,氧化铜外壳紧密地包裹着碳芯部分,且氧化铜外壳的纳米针状结构极大地缩短了锂离子的扩散距离和增加了与锂离本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极,其特征在于,所述碳芯/氧化铜外壳复合电极的芯部为碳纤维,外壳为氧化铜薄层;所述的氧化铜薄层具有阵列型的针状结构和孔状结构;所述的针状结构和孔状结构均为纳米尺度结构;所述针状结构在氧化铜薄层的外表面,所述孔状结构为贯通氧化铜薄层的孔。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极,其特征在于,所述碳芯/氧化铜外壳复合电极的芯部为碳纤维,外壳为氧化铜薄层;所述的氧化铜薄层具有阵列型的针状结构和孔状结构;所述的针状结构和孔状结构均为纳米尺度结构;所述针状结构在氧化铜薄层的外表面,所述孔状结构为贯通氧化铜薄层的孔。2.权利要求1所述的一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法,其特征在于,包括镀铜碳纤维的制备、镀铜碳纤维的烧结成型和成型镀铜碳纤维毡的表面氧化处理。3.根据权利要求2所述的一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法,其特征在于,所述镀铜碳纤维的制备,包括如下步骤:(1)表面除胶:将碳纤维置于高温电阻炉内空气中灼烧,除去碳纤维表面的保护胶;(2)表面粗化:将灼烧后的碳纤维置于(NH4)2S2O8溶液中超声波浸泡,随后用NaOH溶液浸泡,除去碳纤维表面残余的(NH4)2S2O8,再用去离子水清洗;(3)表面敏化:将粗化后的碳纤维置于由SnCl2、HCl和H2O配制而成的敏化液中浸泡,然后用去离子水进行静水漂洗;(4)表面活化:将敏化后的碳纤维置于由AgNO3、NH3·H2O和H2O配制而成的活化液中浸泡,然后用去离子水将碳纤维清洗至黑色;(5)表面镀铜:将活化后的碳纤维置于由NaKC4H4O6·4H2O、CuSO4·5H2O、HCHO、NaOH和H2O配制而成的镀液中,用磁力搅拌器搅拌至溶液无气泡产生,最后用去离子水清洗,真空烘干,得到所述镀铜碳纤维。4.根据权利要求3所述的一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述碳纤维的长度为1~2mm,所述灼烧是在400~500℃下灼烧30~40min;步骤(2)中,所述(NH4)2S2O8溶液的浓度为15~17wt%,在(NH4)2S2O8溶液中超声波浸泡的时间为30~40min,所述NaOH溶液的浓度为9~11wt%,在NaOH溶液中浸泡的时间为5~10min,所述去离子水清洗是清洗至洗涤液呈中性。5.根据权利要求3所述的一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法,其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁伟罗健潘保有邱志强黄诗敏闫志国谭振豪汤勇
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东;44

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