三维中空纳米锥阵列锡-镍一体化锂离子电池负极及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三维中空纳米锥阵列锡

【技术实现步骤摘要】
三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极及制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极领域，涉及一种三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极，以及它们的制备方法。

技术介绍

[0002]目前，便携式电子设备以及新能源汽车的广泛应用和快速发展极大地推动了化学电源的市场，化学电源的性能提升也迫在眉睫。锂离子电池具有比容量大、工作电压高、自放电率小等优点，已作为动力系统广泛应用于手机、笔记本电脑等移动电子产品以及电动汽车、无人机等新兴工业领域。
[0003]锂离子电池是指锂离子能够在正、负极之间可逆嵌入和脱出的一种可进行多次充放电的高性能电池。正极通常使用高电位的嵌锂化合物，负极通常采用接近金属锂电位的可逆嵌锂材料，如石墨材料、硅基材料等。目前，商业化使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372 mAh/g，通过改进其制备工艺来提高电池体系的电化学性能，已难以取得突破性进展，不能满足未来能源市场对高容量、高能量密度锂离子电池的迫切需求。金属锡可与锂离子发生电化学反应并形成锡锂合金，其理论质量比容量高达994 mAh/g，约为商用石墨负极的3倍，有望成为新一代锂离子电池负极材料。但是，直接将金属锡用作为锂离子电池负极材料时，锡锂合金相的生成会引发严重的体积膨胀，这将会导致活性材料粉化脱落，破坏电极结构的完整性，最终导致电池容量衰减及较差的循环性能。
[0004]与传统的二维薄膜锂离子电池相比，三维电极可以充分利用其结构优势，显著增大活性材料的负载面积并提供可容纳体积膨胀/收缩的充足空间，改善锂离子电池的循环稳定性。Lian PC等人公开了一种在三维碳网上制备纳米多孔Sn@C/石墨烯复合负极材料的方法（Design and synthesis of porous nano
‑
sized Sn@C/graphene electrode material with 3D carbon network for high
‑
performance lithium
‑
ion batteries [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 604: 188
‑
195）。首先，将SnCl4•
5H2O溶解于乙二醇，然后将溶液转移到50 mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密封后放置于鼓风干燥箱中，将干燥箱温度设置为180℃，并在此温度下保温12 h，固体产物经乙醇过滤和洗涤后制得纳米SnO2颗粒。随后，将SnO2颗粒添加到100 mL氧化石墨烯分散液中形成均匀的悬浮液并转移到100 mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密封后放置于鼓风干燥箱中，将干燥箱温度设置为185℃，并在此温度下保温12 h，固体产物经冷冻干燥处理12 h后制得SnO2@C/氧化石墨烯纳米复合物，最后在氩气气氛下850℃进行4 h热处理得到纳米多孔Sn@C/石墨烯复合负极材料。将制得的上述复合负极材料粉末与炭黑、聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比75：15：10混合均匀后，加入N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮，制成浆料，再将浆料均匀涂覆于铜箔上，在20 MPa压力下、120 ℃烘箱中烘干后，得到锂离子电池负极。
[0005]该方法制备的锂离子电池负极存在以下不足有待改进：（1）采用热处理和气液界面合成法的制备过程，工艺复杂、成本高且难以实现工业化的大规模生产；（2）负极材料被
制成粉末，随后混入导电剂和粘合剂制成浆料并涂覆在铜导电集流体上，一定压力下烘干后再作为电极使用。其中粘结剂本身不导电，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，活性组分Sn是通过高温反应附着于三维碳网上，Sn与碳网之间的结合力极其有限，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。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服目前现有技术的不足，提供一种基于金属基底生长的三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极及制备方法，以提高锂离子电池的比容量和循环性能并简化制备工艺，降低锂离子电池负极的生产成本。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下。
[0008]三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极，其特征在于，该锂离子电池负极是由垂直方向均匀生长于金属基底表面的具有三维中空结构的纳米锥阵列组成，所述金属基底主要为铜片、镍片、泡沫铜、泡沫镍中的一种；纳米锥由外壳层、中空层和内核组成，中空层存在于外壳层和内核之间，外壳层成分为锡，内核成分为镍，锡外壳层均匀分布于金属基底表面并与镍内核结合为一体。
[0009]优选地，上述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的技术方案中，三维中空纳米锥阵列的锥体平均高度约为200
‑
500 nm。
[0010]优选地，上述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的技术方案中，三维中空纳优选地，上述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的技术方案中，三维中空纳米锥阵列的锥体中空层平均宽度约为15
‑
40 nm。
[0011]本专利技术还提供了上述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的制备方法，步骤如下。
[0012]（1）在水浴温度为30
‑
90
o
C条件下，以去除表面氧化层和油脂层的金属基底为工作电极，金属镍为对电极，在5
‑
60 mA/cm2的电流密度下，恒电流沉积500
‑
900 s，其中电解液由六水氯化镍、硼酸和盐酸乙二胺组成，沉积结束后，分别用去离子水和酒精冲洗干净至样品表面无残留液，真空干燥后，制得三维锥阵列型纳米多孔镍集流体。
[0013]（2）在水浴温度为30
‑
90
o
C条件下，将步骤（1）制备的三维锥阵列型纳米多孔镍集流体放入硫酸亚锡溶液中浸泡反应不同时间后取出，分别用去离子水和酒精冲洗干净至样品表面无残留液，真空干燥后，最终制得三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极。
[0014]上述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的制备方法的技术方案中，步骤（1）中的电流密度和电沉积时间会影响三维阵列型纳米多孔镍的形貌、尺寸和密集程度，步骤（2）中的硫酸亚锡的浓度和浸泡反应时间会影响三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的形貌、尺寸以及活性物质的负载量。
[0015]上述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的制备方法的技术方案中，一种可行的去除金属基底表面氧化层和油脂层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极，其特征在于，该锂离子电池负极是由垂直方向均匀生长于金属基底表面的具有三维中空结构的纳米锥阵列组成，所述金属基底主要为铜片、镍片、泡沫铜、泡沫镍中的一种；纳米锥由外壳层、中空层和内核组成，中空层存在于外壳层和内核之间，外壳层成分为锡，内核成分为镍，锡外壳层均匀分布于金属基底表面并与镍内核结合为一体。2.根据权利要求1所述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极，其特征在于，三维中空纳米锥阵列的锥体平均高度约为200
‑
500 nm。3.根据权利要求1至2所述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极，其特征在于，三维中空纳米锥阵列的锥体底部平均直径约为120
‑
360 nm。4.根据权利要求1至3所述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极，其特征在于，三维中空纳米锥阵列的锥体中空层平均宽度约为15
‑
40 nm。5.权利要求1至4中任一权利要求所述三维中空纳米锥阵列锡
‑
镍一体化锂离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）在水浴温度为30
‑
90
o
C条件下，以去除表面氧化层和油脂层的金属基底为工作电极，金属镍为对电极，在5
‑
60 mA/cm2的电流密度下，恒电流沉积500
‑
900 s，其中电解液由六水氯化镍、硼酸和盐酸乙二胺组成，沉积结束后，分别用去离子水和酒精冲洗干净至样品表面无残留液，真空干燥后，制得三维锥阵列型纳米多孔镍集流体；（2）在水浴温度为30
‑
90
o
C条件下，将步骤（1）制备的三维锥阵列型纳米多孔镍集流体放入硫酸亚锡溶液中浸泡反应不同时间后取出，分别用去离子水和酒精冲洗干净至样品表面无残留液，真空干燥后，最终制...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文博，苟红梅，王浩宇，罗旭，颜家振，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：