CN102185131A - 多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法 - Google Patents

多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电极材料的制备，公开了一种多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，该一体化电极可应用于锂离子电池的负极。其制备方法包括以下步骤：首先，采用氢气泡模板法制备出多孔集流体；然后，采用复合电沉积法在多孔集流体上沉积锡基合金和碳纳米管，得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。

Description

多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法
技术领域
本发明涉及电极材料的制备，特别涉及一种多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，该一体化电极可应用于锂离子电池的负极。
背景技术
锂离子电池因其具有高能量密度，高电压，自放电小，循环寿命长，无记忆效应等优点，已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式设备中，且在电动汽车等领域也显示出巨大的应用前景。
目前商品化的锂离子电池负极主要采用石墨材料，但石墨负极的理论比容量(372 mAh·g-1)较低，已不能满足现代电子产品及动力设备等领域对电源不断增长的需求；因此，寻求新型负极材料替代目前商业化的石墨类碳材料成为必要。Sn金属及其合金作为锂离子电池负极，因具有高的理论比容量和合适的充放电平台已成为负极材料研究的热点之一。然而，锡在嵌/脱锂过程中体积变化大，容易发生粉化脱落，造成容量迅速衰减，因此，锡合金负极材料存在着两个主要问题：一是首次不可逆容量大；二是循环性能不理想。这也是衡量电极材料性能的两个技术指标，不解决这两个问题，就无法实现锡合金负极材料的实用化。
发明内容
本发明的目的在于一种多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，能够克服锡合金在充放电过程中由于体积变化大而导致活性材料易团聚、粉化、脱落，最终造成电极容量迅速衰减的缺点，提高电极首次不可逆容量和循环性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，采用氢气泡模板法制备出多孔集流体；然后，采用复合电沉积法在多孔集流体上沉积锡基合金和碳纳米管，得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
上述技术方案的步骤优化：
所述采用氢气泡模板法制备出多孔集流体，其中，电解液配方为：1～60g/L硫酸铜，0.5～10mol/L硫酸，0～2mmol/L氯化钠，0～25mg/L聚乙二醇；阳极和工作电极均为铜片；工艺采用脉冲电沉积，其工作温度为常温，电流密度范围为0.1～2A/cm2，沉积时间：1～30min；最后得多孔铜集流体。
所述采用复合电沉积法在多孔集流体上沉积锡基合金和碳纳米管，其具体步骤如下：首先，配制锡钴合金电镀液，其中，锡酸钠10～150g/L，氯化钴1～10g/L，酒石酸钾钠50～200g/L，柠檬酸钾5～40g/L；再用氨水和盐酸调节pH值至5～12；然后，在锡钴合金电镀液依次加入碳纳米管和阳离子表面活性剂，碳纳米管浓度为0.1～10g/L，阳离子表面活性剂为0～1g/L；最后，采用钛网为阳极，多孔集流体为阴极，工作温度30～70℃，电流密度0.1～10A/dm2，沉积时间5～60min；其中，阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵或十二烷基三甲基溴化铵。
上述技术方案中，氢气泡模板法的电解液配方可以加入氯化钠或聚乙二醇，能够优化多孔集流体的孔径大小和孔壁结构；当然，也可不加。复合电沉积法中可以加入阳离子表面活性剂，也可不加入；加入阳离子表面活性剂可以改善碳纳米管在镀液中的分散性及增加镀层中碳纳米管的复合量。
本发明中，集流体的多孔结构不仅可容纳锡基合金嵌/脱锂过程中的体积变化、增强集流体与活性材料间的结合力，而且还可增大活性材料与集流体间的接触面积，达到改善锡基合金循环性能和高倍率性能的目的。而碳纳米管的存在使得锡基合金纳米粒子均匀分散于碳纳米管导电网络中，可有效提高活性材料的导电性和防止锡团聚，与多孔结构的协同作用进一步改善电极电化学性能。
此外，本发明采用复合电沉积制备技术，电极表面无需涂浆处理，简化了电池负极材料的生产工艺；不需要粘结剂和导电剂，能够降低电池成本，还可提高比容量。其中，活性材料与集流体的结合力明显强于涂浆制品的结合力，不仅解决了碳纳米管与锡基合金的均匀复合问题，简化了合成工艺，而且具有优异的电化学性能。
具体实施方式
下面结合最优实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE001
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为0.1A/cm2，电镀10min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE002
用氨水和盐酸调节pH值至5。
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为0.6g/L 。
3）采用钛网为阳极，多孔铜集流体为阴极，工作温度45℃，电流密度为0.5A/dm2，沉积时间10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例2
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE003
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为0.3A/cm2，电镀15min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE004
用氨水和盐酸调节PH值至12。
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为1g/L 。
3）采用钛网为阳极，多孔铜集流体为阴极，工作温度45℃，电流密度为0.6A/dm2，沉积时间10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例3
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE005
在常温下，采用脉冲电沉积制备技术，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为0.5A/cm2，电镀10min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE006
用氨水和盐酸调节pH值至8。
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为2g/L；此外加入十六烷基三甲基溴化铵，其浓度为0.1g/L。
3）采用钛网为阳极，多孔铜集流体为阴极，工作温度50℃，电流密度为2A/dm2，沉积时间15min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例4
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE007
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为1A/cm2，电镀5min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE008
用氨水和盐酸调节pH值至7。.
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为3g/L；此外加入十六烷基三甲基溴化铵，其浓度为0.5g/L。
3）采用钛网为阳极，工作电极为阴极，工作温度60℃，电流密度为2A/dm2，沉积时间：10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例5
(1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为1A/cm2，电镀5min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE010
用氨水和盐酸调节pH值至7。.
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为3g/L；此外加入十八烷基二甲基苄基氯化铵，其浓度为0.5g/L。
3）采用钛网为阳极，工作电极为阴极，工作温度60℃，电流密度为2A/dm2，沉积时间：10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例6
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE011
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为1A/cm2，电镀5min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE012
用氨水和盐酸调节pH值至7。.
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为3g/L；此外加入十八烷基三甲基氯化铵，其浓度为0.4g/L。
3）采用钛网为阳极，工作电极为阴极，工作温度60℃，电流密度为2A/dm2，沉积时间：10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例7
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为1A/cm2，电镀5min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE014
用氨水和盐酸调节pH值至7。.
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为3g/L；此外加入十二烷基三甲基氯化铵，其浓度为0.3g/L。
3）采用钛网为阳极，工作电极为阴极，工作温度60℃，电流密度为2A/dm2，沉积时间：10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
实施例8
（1）、多孔铜集流体的制备，按以下配方配置电解液：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE015
在常温下，阳极和工作电极均为铜片，电流密度为1A/cm2，电镀5min，得到多孔铜集流体。
（2）、制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极
1）配制锡钴合金电镀液，工艺配方如下：
Figure 2011100925117100002DEST_PATH_IMAGE016
用氨水和盐酸调节pH值至7。.
2）在上述镀液中加入碳纳米管，碳纳米管浓度为3g/L；此外加入十二烷基三甲基溴化铵，其浓度为0.3g/L。
3）采用钛网为阳极，工作电极为阴极，工作温度60℃，电流密度为2A/dm2，沉积时间：10min。最终得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
尽管本发明已做了详细的说明并引证了一些最优具体实施例，但对于本领域的普通技术人员，显然可以按照上述说明做出的多种修改、改动或替代方案，如对于其它锡基合金（如锡铜、锡镍、锡锌等）同样有效。这些显然的替代方案都应包括在权利要求的精神和范围之内。

Claims (4)

1.一种多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，采用氢气泡模板法制备出多孔集流体；然后，采用复合电沉积法在多孔集流体上沉积锡基合金和碳纳米管，得到多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。
2.根据权利要求1所述的多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，所述采用氢气泡模板法制备出多孔集流体，其中，电解液配方为：1～60g/L硫酸铜，0.5～10mol/L硫酸，0～2mmol/L氯化钠，0～25mg/L聚乙二醇；阳极和工作电极均为铜片；工艺采用脉冲电沉积，其工作温度为常温，电流密度范围为0.1～2A/cm2，沉积时间1～30min；最后得多孔铜集流体。
3.根据权利要求1所述的多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，所述采用复合电沉积法在多孔集流体上沉积锡基合金和碳纳米管，其具体步骤如下：首先，配制锡钴合金电镀液，其中，锡酸钠10～150g/L，氯化钴1～10g/L，酒石酸钾钠50～200g/L，柠檬酸钾5～40g/L；再用氨水和盐酸调节pH值至5～12；然后，在锡钴合金电镀液依次加入碳纳米管和阳离子表面活性剂，碳纳米管浓度为0.1～10g/L，阳离子表面活性剂为0～1g/L；最后，采用钛网为阳极，多孔集流体为阴极，工作温度30～70℃，电流密度0.1～10A/dm2，沉积时间5～60min。
4.根据权利要求3所述的多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的制备方法，其特征在于，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵或十二烷基三甲基溴化铵。
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