一种在铜基底上制备锂离子电池电极材料CuO薄膜的方法，是将预处理后的铜基底在微乳液中室温下反应2-96h小时或者在碱性水溶液中室温下反应40-90min，取出铜基底经洗涤、晾干后得到Cu(OH)2微纳多级结构薄膜或Cu(OH)2纳米棒阵列薄膜，将晾干后的薄膜在惰性气氛中于150-200℃处理4-6小时得到形貌相似的CuO微纳多级结构薄膜或CuO纳米棒阵列薄膜。本薄膜形貌均匀，结构稳定，可直接用作锂离子电池电极，方便简化了电极的制作过程，明显提高了电池首次放电比容量、减小首次不可逆容量损失、进一步提高了循环性能与倍率性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种锂离子电池电极材料的制备方法，确切地说是一种在铜基底上制备CuO薄膜的方法。
技术介绍
CuO作为一种ρ型半导体材料(Eg = 1.2eV)，具有独特的电、磁、催化特性，在催化剂、热电材料、传感材料和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。CuO理论比容量为eTOmAhg—1，超过了常用的石墨负极的理论比容量372mAh g—1。近年来，CuO纳米材料作为锂离子电池负极材料引起了关注。中国科技大学郑化桂教授课题组报道了在400°C热分解CuC2O4制得直径IOnm的CuO纳米粉体，结果显示在0. ImA cm_2电流密度下首次放电比容量为SlOmAh g—1，首次放电比容量超过CuO理论比容量。但很快第二次放电比容量衰减至 350mAh g、第三次放电比容量衰减至 120mAh (Optical and electrochemical properties of nanosized CuOvia thermal decomposition of copper oxalateSolid State Electronics. 2008，52，245-248.)。然而，由于过渡金属氧化物本身是一种导电性不强的半导体材料，首次放电时，易团聚成大颗粒，产生较大的应力，容易从集流体上脱落。造成了材料首次不可逆容量损失较大、循环性能较差。同时，对于电极制作来说，粉末电极的传统制作方法主要是将活性物质、 导电剂(乙炔黑)以及粘结剂(PVDF等)均勻混合，用N-甲基吡咯烷酮溶剂调制成浆料， 然后在导电集流体(正极用铝箔，负极用铜基底)表面涂布并最终烘干而成。纳米粉体材料具有高的比表面积和表面能，易团聚，制作电极时难以均勻地与导电剂和粘结剂混合，电极与集流体基底间接触电阻较高。此外，纳米材料堆积密度低，也导致制作电极需要消耗大量的粘结剂或导电剂等惰性组分，使其体积能量密度受限。针对氧化铜纳米粉体材料在锂离子电池中应用存在的问题，一些研究小组将单一纳米结构氧化铜薄膜直接用作锂离子电池电极。哈尔滨工业大学潘钦敏教授课题组以铜基底、K2S2O8, NaOH和十二烷基硫酸钠(SDQ为原料，在铜基底上制备了 CuO纳米线薄膜。 将其作为锂离子电池电极，结果显示在0. 15mA cm_2电流密度下首次放电比容量为970mAh第二次放电比容量衰减至560mAh g—1。在0.2mA cm_2电流密度下充放电循环50次后， 该材料的放电比容量为520mAh g—1，未报道更高倍率下的电化学性能(Fabrication of CuO film withnetwork-like architectures through solution-immersion and their application in lithium ion batteries. Journal of Power Sources,2007,167, 206-211)。
技术实现思路
本专利技术旨在为锂离子电池提供一种可直接作为锂离子电池电极的CuO薄膜材料， 所要解决的问题是本材料具有更好的结构稳定性与导电性，对提高材料的首次放电比容量、减小首次不可逆容量损失、提高循环性能与倍率性能具有明显的促进作用。本专利技术所称的在铜基底上制备锂离子电池电极材料CuO薄膜的方法包括在铜基底上制备CuO微纳多级结构薄膜的方法和在铜基底上制备CuO纳米棒阵列薄膜的方法。本专利技术的技术方案包括铜基底的预处理、氧化反应和热处理以及洗涤和干燥，与现有技术的区别是所述的氧化反应是预处理后的铜基底在微乳液中室温下反应2_96h，取出铜基底用有机溶剂洗涤后晾干得到氢氧化铜(Cu(OH)2)微纳多级结构薄膜；所述的热处理是晾干后的(Cu(OH)2)微纳多级结构薄膜在惰性气氛中于150-200°C下处理4-6小时得到相似形貌的氧化铜(CuO)微纳多级结构薄膜。所述的微乳液是表面活性剂有机溶液与碱性水溶液按表面活性剂与水摩尔比 1 1-20混合振荡得到的油包水型微乳液。在有机溶液中表面活性剂浓度0.05-0. 25mol/ L ；在碱性水溶液中NaOH或KOH浓度l_2mol/L，氧化剂浓度0. 05-0. 2mol/L,氨浓度 1. 0-2. 5mol/L。所述的表面活性剂选自琥珀酸(即丁二酸)二异辛酯磺酸钠(NaAOT)或十二烷基硫酸钠(SDQ或十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等。所述的有机溶剂选自异辛烷或正己醇或正丁醇。所述的氧化剂选自过硫酸铵((NH4)2S2O8)或过硫酸钠(Na2S2O8)或过硫酸钾 (K2S2O8)或过氧化氢(H2O2)。实验表明，制备CuO纳米棒阵列薄膜直接在碱性水溶液中进行。也包括铜基底的预处理、氧化反应和热处理以及洗涤和干燥，所述的氧化反应是将预处理后的铜基底在碱性水溶液中室温下反应40-90min，取出铜基底用蒸馏水和无水乙醇洗涤后晾干得到 Cu (OH) 2纳米棒阵列薄膜；所述的热处理是将晾干后的Cu (OH) 2纳米棒阵列薄膜在惰性气氛中于150-200°C下处理4-6小时得到相似形貌的CuO纳米棒阵列薄膜。所述的碱性水溶液中 NaOH 或 KOH 浓度 l_2mol/L，氧化剂浓度 0. 05-0. 2mol/L,氨浓度 1. 0-2. 5mol/L。所述的氧化齐[J选自(NH4)2S208 或 Na2S2O8 或 K2S2O8 或 H2O2。所述的铜基底预处理是先将铜基底在丙酮、乙醇等有机溶剂中超声10-30min后， 放置在l-2mol/L的硫酸溶液中超声10-30min ；最后放置在60-85Wt% (质量百分比)的磷酸溶液中进行电化学抛光，其电压为2-5V。将上述制备得到的CuO微纳多级结构薄膜或CuO纳米棒阵列薄膜分别作为锂离子电池工作电极，以锂片为对电极，电解液为ImoVLiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比1 1)溶液，隔膜为celgard2400膜，在氩气气氛的手套箱内装配成CR2032 型扣式电池。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在1、本专利技术合成方法简单可控，薄膜形貌均勻；2、本专利技术在铜基底上采用微乳液反应体系合成了 CuO微纳多级结构薄膜、采用水溶液反应体系在铜基底上合成了 CuO纳米棒阵列薄膜。与市售CuO粉体材料相比，不仅简化了电极制作，而且具有更好的结构稳定性与导电性，它们均明显提高了电池首次放电比容量、减小首次不可逆容量损失、进一步提高了循环性能与倍率性能。3、生长在铜基底上的CuO微纳多级结构薄膜与单一纳米结构薄膜相比，结构更加稳定，充分发挥微纳多级结构的协同优势，提高了电池首次放电比容量、减小首次不可逆容量损失、进一步提高了循环性能与倍率性能。4、传统制造电极方法，存在活性物质难以与导电剂乙炔黑或炭黑、粘结剂PVDF等混合均勻的问题，活性物质颗粒之间以及活性物质与集流体基底间接触电阻仍然较高，从而影响电极材料的相关电化学性能。将该微纳多级结构薄膜直接用作锂离子电池电极，省去了使用碳黑、粘结剂PVDF和活性物质混合涂布制作电极片的复杂过程，其活性物质与基底(导电集流体)自然形成一体，减小了接触电阻，并有效地遏制材料在充放电过程中产生的体积变化，进一步提高电池的相关电化学性能。5、微纳多本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种在铜基底上制备锂离子电池电极材料ＣｕＯ微纳多级结构薄膜的方法，包括铜基底的预处理、氧化反应和热处理以及洗涤和干燥，其特征在于：所述的氧化反应是预处理后的铜基底在微乳液中室温下反应２－９６ｈ小时，经洗涤、晾干后得到Ｃｕ（ＯＨ）２微纳多级结构薄膜；所述的热处理是将晾干的Ｃｕ（ＯＨ）２微纳多级结构薄膜在惰性气氛中于１５０－２００℃处理４－６小时得到ＣｕＯ微纳多级结构薄膜；所述的微乳液是表面活性剂有机溶液与碱性水溶液按表面活性剂与水摩尔比１∶１－２０混合振荡得到的微乳液；表面活性剂有机溶液中表面活性剂浓度０．０５－０．２５ｍｏｌ／Ｌ；碱性水溶液中ＮａＯＨ或ＫＯＨ浓度１－２ｍｏｌ／Ｌ，氧化剂浓度０．０５－０．２ｍｏｌ／Ｌ，氨浓度１．０－２．５ｍｏｌ／Ｌ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张卫新，曾晖，杨则恒，王强，陈公德，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34
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